權(quán)利要求書： 1.一種基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風(fēng)機(jī)復(fù)合葉片優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，該方法考慮曲折閃電打擊帶來的介質(zhì)擊穿現(xiàn)象以及非比例多軸復(fù)雜應(yīng)力狀況下的疲勞損傷，具體包括如下步驟：

S1：將風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片劃分為葉片根部、葉片前緣、抗剪腹板前區(qū)域、翼梁帽、抗剪腹板后區(qū)域、葉片后緣、葉尖七個部分，并將每個部分劃分為多個嵌板；確定設(shè)計變量個數(shù)，每個設(shè)計變量對應(yīng)若干個嵌板；

S2：建立曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型；

S2.1：在球坐標(biāo)系中，根據(jù)方位角θ、相鄰兩線段的夾角φ、每段線段的長度ρC三個參數(shù)創(chuàng)建新線段，并計算曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃尖端與風(fēng)機(jī)葉片尖端的距離；然后根據(jù)峰值電流Ipeak，計算閃電打擊距離 其中，θ的取值遵循0～360°的均勻分布，φ的取值遵循平均值為180°的高斯分布，ρC的取值遵循80m～100m的均勻分布，Ipeak的取值遵循對數(shù)正態(tài)分布；

S2.2：當(dāng)曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃尖端與風(fēng)機(jī)葉片尖端的距離小于Ls時，認(rèn)為閃電步進(jìn)導(dǎo)閃有效，即認(rèn)為峰值電流Ipeak有效，進(jìn)入步驟S3，若無效，則進(jìn)入步驟S2.3；

S2.3：若曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃尖端距離地面的高度低于風(fēng)機(jī)輪轂中心高度，則重復(fù)S2，創(chuàng)建新的曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型，否則，重復(fù)S2.1，在當(dāng)前曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型中創(chuàng)建新線段；

S3：獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片周圍電場情況，根據(jù)E＝?▽計算沿著風(fēng)機(jī)葉片的電場強(qiáng)度；

S4：判斷曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型建立的個數(shù)，當(dāng)不小于1000個時，計算沿著風(fēng)機(jī)葉片的平均電場強(qiáng)度；若小于1000個時，則返回S2；

S5：通過下述分別計算介質(zhì)擊穿強(qiáng)度Eb和閃電安全系數(shù)L(x)

4 6

Eb＝5.3·10/d+8.0·10其中，d為層厚；

S6：通過下式計算非比例多軸應(yīng)力狀況的預(yù)期疲勞壽命T(x)：其中，t為時間， 為經(jīng)過時間t的預(yù)期疲勞損傷 Dt(x|L)為給定載荷為L的情況下，經(jīng)過時間t，積累所有半周期疲勞損傷得到總疲勞損傷，P(L)為復(fù)雜載荷L發(fā)生的概率密度， 為應(yīng)力σ11、σ22、σ12所對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)， 為應(yīng)力幅，R為應(yīng)力比，sij、kij為將實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合得到的應(yīng)力?壽命曲線確定的兩個疲勞強(qiáng)度系數(shù)；

S7：建立優(yōu)化問題的約束條件：L U

(1)設(shè)計變量的取值范圍x≤x≤x , 其中x代表控制著復(fù)合材料層厚的ND維L U

設(shè)計變量向量；ND為設(shè)計變量的數(shù)量；x與x為設(shè)計變量向量的下界與上界；

(2)為防止介質(zhì)擊穿現(xiàn)象設(shè)定的約束條件Gi(x)＝1?Li(x)≤0,i＝1,2,...,NL，NL為閃電打擊約束數(shù)量；

(3)為保證葉片疲勞壽命設(shè)定的約束條件Gj(x)＝Ttar?Tj(x)≤0,j＝1,2,...,NF，NF為疲勞壽命約束數(shù)量；

其中，Ttar為目標(biāo)疲勞壽命；

S8：建立使復(fù)合材料的總成本最小化的目標(biāo)函數(shù)C(x)：其中，設(shè)計變量向量x＝[x1,x2,...,xm]，xm表示復(fù)合材料第m層的厚度，單位為mm， 為設(shè)計變量的初始值， 為在xi下的復(fù)合材料初始質(zhì)量，ci為復(fù)合材料單位質(zhì)量下的材料成o

本，C為初始設(shè)計變量下的復(fù)合材料的總成本；

S9：在matlab中運用求解器對問題進(jìn)行求解，便可得到設(shè)計變量相應(yīng)的最優(yōu)解。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風(fēng)機(jī)復(fù)合葉片優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述S3中,通過COMSOL軟件運用有限元分析法獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片周圍電場情況。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風(fēng)機(jī)復(fù)合葉片優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述S6中,在風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片的x處受到復(fù)雜載荷L時，通過有限元分析法計算其非比例多軸應(yīng)力狀況σ，從而得到應(yīng)力幅

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風(fēng)機(jī)復(fù)合葉片優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述S9中，采用序列二次規(guī)劃求解器進(jìn)行求解。

說明書： 基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片優(yōu)化領(lǐng)域，尤其涉及一種基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風(fēng)機(jī)復(fù)合葉片優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)[0002] 目前，閃電打擊造成的葉片損傷占風(fēng)力發(fā)電機(jī)失效的23.4％，而疲勞損傷是戶外復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的主要失效形式，故閃電打擊與疲勞損傷的分析對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉

片非常重要。在該方面目前缺乏有效的解決方案，本發(fā)明結(jié)合參數(shù)化曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模

型與非比例多軸疲勞失效進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片的優(yōu)化設(shè)計。現(xiàn)有的簡易垂直直線

型閃電模型并沒有體現(xiàn)真實閃電的曲折性。傳統(tǒng)的疲勞損傷計算中，為計算風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)

合葉片的等效應(yīng)力/應(yīng)變推導(dǎo)出計算公式，根據(jù)應(yīng)力－壽命曲線和疲勞損傷線性累積假說，

運用該公式進(jìn)行疲勞損傷/壽命預(yù)測。該疲勞損傷計算方法沒有獲取風(fēng)機(jī)復(fù)合葉片的詳細(xì)

疲勞損傷與壽命分布輪廓，同時沒有考慮復(fù)雜載荷調(diào)節(jié)下的非比例多軸應(yīng)力狀況，計算不

準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容[0003] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片易受閃電打擊與葉片預(yù)期壽命較低的特點，提出了一種基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風(fēng)機(jī)復(fù)合葉片優(yōu)化設(shè)計方

法，該方法結(jié)合曲折閃電打擊與疲勞損傷計算。本發(fā)明通過對于自然閃電的有效建模與疲

勞損傷的準(zhǔn)確計算，有效地提升了風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片的閃電安全系數(shù)與葉片預(yù)期壽

命。

[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：[0005] 一種基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風(fēng)機(jī)復(fù)合葉片優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，該方法考慮曲折閃電打擊帶來的介質(zhì)擊穿現(xiàn)象以及非比例多軸復(fù)雜應(yīng)力狀況下的疲勞損

傷，具體包括如下步驟：

[0006] S1：將風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片劃分為葉片根部、葉片前緣、抗剪腹板前區(qū)域、翼梁帽、抗剪腹板后區(qū)域、葉片后緣、葉尖七個部分，并將每個部分劃分為多個嵌板；確定設(shè)計

變量個數(shù)，每個設(shè)計變量對應(yīng)若干個嵌板；

[0007] S2：建立曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型；[0008] S2.1：在球坐標(biāo)系中，根據(jù)方位角θ、相鄰兩線段的夾角φ、每段線段的長度ρC三個參數(shù)創(chuàng)建新線段，并計算曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃尖端與風(fēng)機(jī)葉片尖端的距離；然后根據(jù)峰值電

流Ipeak，計算閃電打擊距離 其中，θ的取值遵循0～360°的均勻分布，φ的取值

遵循平均值為180°的高斯分布，ρC的取值遵循80m～100m的均勻分布，Ipeak的取值遵循對數(shù)

正態(tài)分布；

[0009] S2.2：當(dāng)曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃尖端與風(fēng)機(jī)葉片尖端的距離小于Ls時，認(rèn)為閃電步進(jìn)導(dǎo)閃有效，即認(rèn)為峰值電流Ipeak有效，進(jìn)入步驟S3，若無效，則進(jìn)入步驟S2.3；

[0010] S2.3：若曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃尖端距離地面的高度低于風(fēng)機(jī)輪轂中心高度，則重復(fù)S2，創(chuàng)建新的曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型，否則，重復(fù)S2.1，在當(dāng)前曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型中創(chuàng)

建新線段；

[0011] S3：獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片周圍電場情況，根據(jù) 計算沿著風(fēng)機(jī)葉片的電場強(qiáng)度；

[0012] S4：判斷曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型建立的個數(shù)，當(dāng)不小于1000個時，計算沿著風(fēng)機(jī)葉片的平均電場強(qiáng)度；若小于1000個時，則返回S2；

[0013] S5：通過下述分別計算介質(zhì)擊穿強(qiáng)度Eb和閃電安全系數(shù)L(x)[0014] Eb＝5.3·104/d+8.0·106[0015][0016] 其中，d為層厚；[0017] S6：通過下式計算非比例多軸應(yīng)力狀況的預(yù)期疲勞壽命T(x)：[0018][0019][0020][0021][0022] 其中，t為時間， 為經(jīng)過時間t的預(yù)期疲勞損傷 Dt(x|L)為給定載荷為L的情況下，經(jīng)過時間t，積累所有半周期疲勞損傷得到總疲勞損傷，P(L)為復(fù)雜載荷L發(fā)生的概

率密度， 為應(yīng)力σ11、σ22、σ12所對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)， 為應(yīng)力幅，R為應(yīng)力

比，sij、kij為將實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合得到的應(yīng)力?壽命曲線確定的兩個疲勞強(qiáng)度系

數(shù)；

[0023] S7：建立優(yōu)化問題的約束條件：[0024] (1)設(shè)計變量的取值范圍 其中x代表控制著復(fù)合材料層厚的L U

ND維設(shè)計變量向量；ND為設(shè)計變量的數(shù)量；x與x為設(shè)計變量向量的下界與上界；

[0025] (2)為防止介質(zhì)擊穿現(xiàn)象設(shè)定的約束條件Gi(x)＝1?Li(x)≤0,i＝1,2,...,NL，NL為閃電打擊約束數(shù)量；

[0026] (3)為保證葉片疲勞壽命設(shè)定的約束條件Gj(x)＝Ttar?Tj(x)≤0,j＝1,2,...,NF，NF為疲勞壽命約束數(shù)量；

[0027] 其中，Ttar為目標(biāo)疲勞壽命；[0028] S8：建立使復(fù)合材料的總成本最小化的目標(biāo)函數(shù)C(x)：[0029][0030] 其中，設(shè)計變量x＝[x1,x2,...,xm]表示復(fù)合材料各層厚度，單位為mm， 為設(shè)計變o

量的初始值， 為在xi下的復(fù)合材料初始質(zhì)量，ci為復(fù)合材料單位質(zhì)量下的材料成本，C 為

初始設(shè)計變量下的復(fù)合材料的總成本；

[0031] S9：在matlab中運用求解器對問題進(jìn)行求解，便可得到設(shè)計變量相應(yīng)的最優(yōu)解。[0032] 進(jìn)一步地，所述S3中,通過COMSOL軟件運用有限元分析法獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片周圍電場情況。

[0033] 進(jìn)一步地，所述S6中,在風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片的x處受到復(fù)雜載荷L時，通過下式計算其非比例多軸應(yīng)力狀況σ，從而得到應(yīng)力幅

[0034] σ＝f(x|L)。[0035] 進(jìn)一步地，所述S9中，采用序列二次規(guī)劃求解器進(jìn)行求解。[0036] 本發(fā)明的有益效果如下：[0037] (1)本發(fā)明提出的參數(shù)化曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型很好的體現(xiàn)了真實閃電的曲折性，反應(yīng)了真實的閃電狀況；

[0038] (2)本發(fā)明采用有限元分析法計算風(fēng)機(jī)復(fù)合葉片的非比例多軸應(yīng)力狀況，保證疲勞損傷計算的準(zhǔn)確性；

[0039] (3)本發(fā)明可以得到復(fù)合材料中各層材料的最佳厚度，在保證整體成本不會過高的情況下，有效地提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片的閃電安全系數(shù)與葉片預(yù)期壽命。

附圖說明[0040] 圖1為本發(fā)明的方法的流程圖；[0041] 圖2為球坐標(biāo)系下曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型；[0042] 圖3是平均電場強(qiáng)度計算流程圖；[0043] 圖4是非比例多軸應(yīng)力狀況圖，其中a圖為9個有限元分析節(jié)點，b圖為一個節(jié)點處的非比例多軸應(yīng)力(σ11,σ22,σ12)；

[0044] 圖5是應(yīng)力比R＝10時縱向長度上QQ1的應(yīng)力?壽命圖；[0045] 圖6是5兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片的模型圖；[0046] 圖7是曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型建模圖；[0047] 圖8是5兆瓦風(fēng)機(jī)葉片沿葉片的平均電場強(qiáng)度；[0048] 圖9是風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片使用序列二次規(guī)劃(SQP)優(yōu)化的迭代過程記錄圖。具體實施方式[0049] 下面根據(jù)附圖和優(yōu)選實施例詳細(xì)描述本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明白，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

[0050] 本發(fā)明的基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風(fēng)機(jī)復(fù)合葉片優(yōu)化設(shè)計方法，考慮曲折閃電打擊帶來的介質(zhì)擊穿現(xiàn)象以及非比例多軸復(fù)雜應(yīng)力狀況下的疲勞損傷，具體流程圖如

圖1所示，具體包括如下步驟：

[0051] S1：將風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片劃分為葉片根部、葉片前緣、抗剪腹板前區(qū)域、翼梁帽、抗剪腹板后區(qū)域、葉片后緣、葉尖七個部分，并將每個部分劃分為多個嵌板；確定設(shè)計

變量個數(shù)，每個設(shè)計變量對應(yīng)若干個嵌板；

[0052] S2：建立曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型，如圖2所示；[0053] S2.1：在球坐標(biāo)系中，根據(jù)方位角θ、相鄰兩線段的夾角φ、每段線段的長度ρC三個參數(shù)創(chuàng)建新線段，并計算曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃尖端與風(fēng)機(jī)葉片尖端的距離；然后根據(jù)峰值電

流Ipeak，計算閃電打擊距離 其中，θ的取值遵循0～360°的均勻分布，φ的取值

遵循平均值為180°的高斯分布，ρC的取值遵循80m～100m的均勻分布，Ipeak的取值遵循對數(shù)

正態(tài)分布；

[0054] S2.2：當(dāng)曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃尖端與風(fēng)機(jī)葉片尖端的距離小于Ls時，認(rèn)為閃電步進(jìn)導(dǎo)閃有效，即認(rèn)為峰值電流Ipeak有效，進(jìn)入步驟S3，若無效，則進(jìn)入步驟S2.3；

[0055] S2.3：若曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃尖端距離地面的高度低于風(fēng)機(jī)輪轂中心高度，則重復(fù)S2，創(chuàng)建新的曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型，否則，重復(fù)S2.1，在當(dāng)前曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型中創(chuàng)

建新線段；

[0056] S3：通過COMSOL軟件運用有限元分析法得到電場情況，求解麥克斯韋公式得到閃電電場強(qiáng)度；

[0057] 通過閃電電場強(qiáng)度與介質(zhì)擊穿強(qiáng)度的比較，判斷葉片是否會發(fā)生介質(zhì)擊穿現(xiàn)象。由于在計算平均電場強(qiáng)度時，閃電打擊的電流存在不確定性，而峰值電流Ipeak遵循對數(shù)正

態(tài)分布，故可用蒙特卡羅模擬法計算平均電場強(qiáng)度，具體流程如圖3流程圖所示。

[0058] S4：判斷曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型建立的個數(shù)，當(dāng)不小于1000個時，計算沿著風(fēng)機(jī)葉片的平均電場強(qiáng)度；若小于1000個時，則返回S2；

[0059] S5：計算介質(zhì)擊穿強(qiáng)度Eb和閃電安全系數(shù)L(x)[0060] 因為復(fù)合材料的介質(zhì)擊穿強(qiáng)度與各層材料厚度、多孔性、材料層堆疊順序、溫度等因素有關(guān)，此處只考慮各層材料厚度，對于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，通過對其進(jìn)行擊穿實

驗，擬合實驗數(shù)據(jù)，得到其介質(zhì)擊穿強(qiáng)度公式為

[0061] Eb＝5.3·104/d+8.0·106[0062][0063] 其中，d為層厚；[0064] S6：計算非比例多軸應(yīng)力狀況的預(yù)期疲勞壽命T(x)：[0065] 由于復(fù)雜內(nèi)外載荷所導(dǎo)致的非比例多軸應(yīng)力狀況如圖4所示，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片的x處受到復(fù)雜載荷L時，通過有限元分析法(FEA)計算其非比例多軸應(yīng)力狀況σ，

其計算公式為

[0066] σ＝f(x|L)。[0067] 根據(jù)應(yīng)力?壽命曲線，在單向載荷作用下恒定應(yīng)力比的疲勞壽命計算公式為[0068][0069] 其中，Nij為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)， 為應(yīng)力幅，R為應(yīng)力比，sij、kij為對于實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合確定的兩個疲勞強(qiáng)度系數(shù)。在應(yīng)力比R＝10的縱向方向上某一纖維成分為

52％的玻璃纖維增強(qiáng)塑料QQ1的應(yīng)力?壽命曲線如圖5所示；

[0070] 為計算在不同循環(huán)應(yīng)力比下的疲勞壽命，建立了恒定壽命圖(CLDs)，用于推導(dǎo)出任意應(yīng)力比時相應(yīng)的應(yīng)力?壽命曲線。在給定載荷為L的情況下，經(jīng)過時間t，積累所有半周

期疲勞損傷得到總疲勞損傷，其計算公式為

[0071][0072] 其中， 為應(yīng)力σ11、σ22、σ12所對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。[0073] 考慮到載荷的不斷變化，故在x處經(jīng)過時間t的預(yù)期疲勞損傷 的計算公式為[0074][0075] 其中，P(L)為復(fù)雜載荷L發(fā)生的概率密度，在x處預(yù)期的疲勞壽命T為[0076][0077] S7：建立優(yōu)化問題的約束條件；[0078] S8：建立使復(fù)合材料的總成本最小化的目標(biāo)函數(shù)C(x)：[0079] 設(shè)計變量：本發(fā)明采用設(shè)計變量鏈接法，使用一個設(shè)計變量控制一層或多層的材料厚度，以此來減少設(shè)計變量個數(shù)。

[0080] 為防止發(fā)生介質(zhì)擊穿現(xiàn)象，其約束條件為Gi(x)＝1?Li(x)≤0，i＝1,2,...,NL其中NL為閃電打擊約束數(shù)量；

[0081] 疲勞損傷的約束條件為Gj(x)＝Ttar?Tj(x)≤0,j＝1,2,...,NF，其中，NF為疲勞壽命約束數(shù)量，Ttar為目標(biāo)疲勞壽命。

[0082] 目標(biāo)函數(shù)：最優(yōu)化問題的目標(biāo)是使復(fù)合材料的總成本最小化，其計算公式為其中設(shè)計變量x＝[x1,x2,...,xm]表示復(fù)合材料各層厚度(mm)，

為設(shè)計變量的初始值， 為在xi下的復(fù)合材料初始質(zhì)量，ci為復(fù)合材料單位質(zhì)量下的材料

o

成本，C為初始設(shè)計變量下的復(fù)合材料的總成本，該公式將復(fù)合材料的總成本歸一化，方便

進(jìn)行對比。

[0083] 故最優(yōu)化問題，可由以下公式表示[0084] 最小化[0085] 約束條件：Gi(x)＝1?Li(x)≤0,i＝1,2,...,NL,[0086] Gj(x)＝Ttar?Tj(x)≤0,j＝1,2,...,NL,[0087] xL≤x≤xU,[0088] 其中x代表控制著復(fù)合材料層厚的ND維設(shè)計變量向量；ND為設(shè)計變量的數(shù)量；xLU

與x設(shè)計變量向量的下界與上界。

[0089] S9：最優(yōu)化公式計算求解[0090] 經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)運用序列二次規(guī)劃(SQP)求解優(yōu)于運用貝葉斯優(yōu)化求解，故在matlab中運用序列二次規(guī)劃(SQP)對問題進(jìn)行求解，便可得到設(shè)計變量相應(yīng)的最優(yōu)解。

[0091] 下面針對具體的實施例對本發(fā)明的方法進(jìn)行描述。[0092] 步驟一：針對具體風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片進(jìn)行區(qū)域劃分，該風(fēng)機(jī)葉片分為7個部分：葉片根部、葉片前緣、抗剪腹板前區(qū)域(forwardshearwebs)、翼梁帽(sparcap)、抗剪

腹板后區(qū)域(aftshearwebs)、葉片后緣、葉尖，每個部分細(xì)分為多塊嵌板，整個風(fēng)機(jī)葉片

有71塊復(fù)合材料的嵌板(如圖6所示)。

[0093] 步驟二：本實例中選用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)復(fù)合材料，具體選用QQ1材料，通過QQ1材料與泡沫芯層的堆疊組成風(fēng)機(jī)葉片，此處QQ1在一塊嵌板中的層厚為固定的，

QQ1與泡沫芯層作為均勻、各向異性的材料。進(jìn)一步確定復(fù)合材料葉片的各層堆疊序列以及

查詢QQ1與泡沫芯層的物理性質(zhì)，選擇設(shè)計變量個數(shù)，確定各個設(shè)計變量所對應(yīng)鏈接的嵌

板，如表1所示。

[0094] 表1.不同設(shè)計變量的參數(shù)表[0095][0096][0097] 步驟三：使用COMSOL軟件，運用有限元分析法建立閃電打擊靜電分析模型。選取邊長為4000m的立方體作為計算區(qū)域，該區(qū)域包含了整個曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型(tortuous

lightningsteppedleadermodel)與風(fēng)機(jī)，并使得邊界條件的影響可以忽略，同時對風(fēng)機(jī)

幾何模型進(jìn)行簡化，使用COMSOL軟件建立曲折閃電步進(jìn)導(dǎo)閃模型(如圖7所示)。

[0098] 步驟四：運用有限元分析法獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)周圍電場情況，并運用 計算電場強(qiáng)度，由于峰值電流存在不確定性，故按照圖3流程圖所示，多次計算獲取平均電場強(qiáng)

度(本次案例中風(fēng)機(jī)葉片處平均電場強(qiáng)度如圖8所示)；并計算介質(zhì)擊穿強(qiáng)度和計算閃電安

全系數(shù)。

[0099] 步驟五：此處由10分鐘平均風(fēng)速10與10分鐘處湍流強(qiáng)度I10確定風(fēng)機(jī)葉片的載荷，預(yù)期疲勞損傷為

[0100][0101] 其中， 為平均風(fēng)力載荷概率函數(shù)， 為10分鐘疲勞損傷， 作為風(fēng)力載荷條件。在非比例多軸復(fù)雜應(yīng)力狀況下進(jìn)行疲勞分析時，也要將重力載荷與恒定轉(zhuǎn)速下的

離心力載荷加入計算，此處不再詳細(xì)列舉這些載荷在疲勞損傷中的計算公式。

[0102] 步驟六：根據(jù)實際數(shù)據(jù)，列出目標(biāo)函數(shù)及其約束條件，運用matlab中的序列二次規(guī)劃(SQP)求解器進(jìn)行求解工作，隨著迭代次數(shù)的增加各個關(guān)鍵參數(shù)的變化過程如圖9所示，

從圖中可知在前四次迭代中，材料花費迅速上升，在后面的迭代中通過微調(diào)各個設(shè)計變量，

使得成本逐漸下降。最終優(yōu)化得到的結(jié)果如表2所示，從表中可知，在經(jīng)過序列二次規(guī)劃

(SQP)優(yōu)化計算后，在成本只增加了20％的情況下，閃電安全系數(shù)提高了32％，預(yù)期疲勞壽

命增加了15倍。

[0103] 表2初始值與優(yōu)化值的對比表[0104][0105] 該實例有效的表明通過本發(fā)明的優(yōu)化方法，可以在只變動少量成本的情況下，使得閃電安全系數(shù)與預(yù)期疲勞壽命得到有效的提升，從而減少風(fēng)機(jī)葉片因閃電打擊導(dǎo)致的介

質(zhì)擊穿現(xiàn)象的發(fā)生以及增加風(fēng)機(jī)葉片的使用時間。

[0106] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，以上所述僅為發(fā)明的優(yōu)選實例而已，并不用于限制發(fā)明，盡管參照前述實例對發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然

可以對前述各實例記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡

在發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的修改、等同替換等均應(yīng)包含在發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。