風(fēng)機葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)先設(shè)計方法

　　1.風(fēng)機葉片設(shè)計方法概述

　　風(fēng)機葉片設(shè)計過程通常包括兩個階段葉片形狀設(shè)計和葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計。按照以上兩個過程在設(shè)計中的實施順序和優(yōu)化目標(biāo)，現(xiàn)有的風(fēng)機葉片設(shè)計方法大致可以分為以下3種

　　1.1 傳統(tǒng)的設(shè)計方法先形狀后結(jié)構(gòu)［1］

　　先形狀后結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法是先進行形狀設(shè)計，然后在最優(yōu)的形狀設(shè)計基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。葉片形狀設(shè)計的優(yōu)化目標(biāo)是最大化能量輸出，在設(shè)計壽命一定的前提下，該目標(biāo)記為max AEP （Annual Energy Production）；而葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計則是在滿足應(yīng)力/振動/疲勞等約束的前提下，選擇合適的結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝，以實現(xiàn)成本最小化，該目標(biāo)記為min TCO （Total Cost of Ownership）。

　　該方法的優(yōu)點是將葉片形狀設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計解耦，降低了設(shè)計的復(fù)雜度；缺點是由于形狀設(shè)計先于結(jié)構(gòu)設(shè)計，則在優(yōu)化的早期過度的強調(diào)了形狀的重要性，雖然獲得了最優(yōu)的形狀設(shè)計，但卻伴隨著難以實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和較昂貴的材料（如碳纖維）。

　　1.2 折衷的設(shè)計方法氣動性能的犧牲換取結(jié)構(gòu)優(yōu)化［2］

　　針對傳統(tǒng)的設(shè)計方法的缺點，設(shè)計人員在該設(shè)計方法的基礎(chǔ)上進行了改進，用折衷（Trade-off）的辦法來處理葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計和形狀設(shè)計的矛盾。通常的做法是首先按照先形狀后結(jié)構(gòu)的方法進行設(shè)計，然后針對結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果中的瓶頸參數(shù)，適當(dāng)?shù)姆潘蓪θ~片形狀設(shè)計的優(yōu)化要求，通過在最優(yōu)的形狀設(shè)計的附近進行小范圍的調(diào)整來達(dá)到以少量的性能犧牲換取大量的成本降低。但該方法仍然是圍繞葉片形狀設(shè)計的最優(yōu)結(jié)果進行的局部尋優(yōu)過程，并且該性能犧牲未必能確保該優(yōu)化過程在有限次內(nèi)收斂。

　　1.3 全局尋優(yōu)的設(shè)計方法同時進行形狀設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計［3］

　　為了達(dá)到更加接近于全局最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果，設(shè)計人員提出了將葉片的形狀設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計同時綜合考慮的設(shè)計方法。他借助CAD和高性能計算等手段，同時優(yōu)化葉片的結(jié)構(gòu)和形狀，使葉片設(shè)計最大限度的接近全局最優(yōu)。該方法的優(yōu)化目標(biāo)是使度電成本COE（Cost of Energy）最小化。該指標(biāo)是業(yè)界公認(rèn)的風(fēng)機優(yōu)化設(shè)計指標(biāo)，如（1）所示，COE兼顧了MaxAEP和MinTCO兩個重要指標(biāo)，通過適當(dāng)?shù)男拚?，它將更適用于風(fēng)機葉片的設(shè)計。

　　COE = Cost / Energy =TCO / AEP*Years

　　雖然通過該方法可以獲得最接近于全局最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果，但是這是以巨大的計算量作為代價的。由于葉片的形狀設(shè)計與風(fēng)力資源情況、風(fēng)輪的控制策略以及電機的設(shè)計有較強的關(guān)聯(lián)，而葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計則需要考慮各種結(jié)構(gòu)、材料和工藝的選擇，這樣將葉片的形狀設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計進行整合，意味著將風(fēng)機設(shè)計幾乎全部工作整合在一起，帶來的巨大計算量大大減少了該方法在工程設(shè)計中的應(yīng)用。

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