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基于遗传 算法的 风 力发电机导流罩铺层优化设计方法

阅读：0发布：2023-01-26

专利汇可以提供基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及风力发电技术领域，尤其是一种基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法，其步骤为：(1)运用MATLAB编程，产生关于铺层角度的初始种群；(2)MATLAB 软件中调用ANSYS程序，将铺层角度的取值放入层合板的铺层中，分析计算，得到相应的应力值；(3)所求应力值带入MATLAB中，按照公式计算，得到相应的强度比，以此可以得到目标函数F(i)，即适应度值的大小；(4)在MTALAB中运用遗传算法，对导流罩层合板进行优化，本发明通过优化后层合板铺层角度实现风力发电机导流罩强度的提高。，下面是基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法，其特征在于：其步骤为：
(1)运用MATLAB编程，产生关于铺层角度的初始种群；
(2)MATLAB 软件中调用ANSYS程序，将铺层角度的取值放入层合板的铺层中，分析计算，得到相应的应力值；
(3)所求应力值带入MATLAB中，按照公式计算，得到相应的强度比，以此可以得到目标函数F(i)，即适应度值的大小；
(4)在MTALAB中运用遗传算法，对导流罩层合板进行优化。
2.根据权利要求1所述的基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法，其特征在于：根据步骤(1)，设计铺层角度变量，记为θ1，θ2，θ3...，θn，其中n为层合板铺层数；
染色体编码：以[0/1/2/3]表示常用的铺层角度[-45°/0°/45°/90°]，用二进制编码构成染色体。
3.根据权利要求2所述的基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法，其特征在于：根据步骤(2)，应力值计算公式，
式中R是强度比，表示单层板在施加应力作用下，极限应力的某一分量与其对应的施加应力分量之比，也称为强度/应力比。F11、F1、F12、F2、F66、F22均为强度参数，σ1为纵向应力，σ2为横向应力，σ6为剪切应力。
4.根据权利要求3所述的基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法，其特征在于：根据步骤(3)，适应度函数为：
G(i)＝min(R(i))，i＝1，2，...，n  (2)；
目标函数为：
F(i)＝max(G(i))，i＝1，2，...，n  (3)。
5.根据权利要求4所述的基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法，其特征在于：根据步骤(4)，其具体优化步骤为：
a、基于适应度选择、交叉、变异操作，旧的种群产生变化；
b、再根据变化后的种群，产生变化后种群对应的铺层角度，再次带入ANSYS软件中，分析计算所要求的应力值，重新按照公式(1)求得相应的适应度值，基于适应度值重组，生成重组后的种群；
c、再根据重组后的种群，再次按照公式(1)就算适应度值；
d、重复步骤4.1，4.2，4.3至最大遗传代数gen＝MAXGEN；
e、输出每一代的铺层角度、目标函数值，并画出相应的迭代次数与目标函数值的图像。
6.根据权利要求5所述的基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法，其特征在于：步骤(e)中目标函数的求解方法，蔡-吴张量理论的强度比方程：
(Fxxσ2x+2Fxyσxσy+Fyyσ2y+Fssτ2xy)R2+(Fxσx+Fyσy)R-1＝0  (4)
式(4)中R是强度比，根据蔡-吴张量理论强度比理论，施加的应力或应变在安全范围内时，R>1，R是安全系数的一种评价系数；强度比R就是层合板在应力作用下，极限应力的某一分量与应力分量之比，由此当R的取值越大时，层合板的强度越大；其中：Fxx、Fxy、Fx、Fyy、Fy、Fss均为强度参数，σx为纵向应力，σy为横向应力，τxy为剪切应力。
7.根据权利要求5所述的基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法，其特征在于：基于遗传算法进行交叉、变异、重组操作，直到最大迭代次数，输出最优解。
8.根据权利要求5所述的基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法，其特征在于：将材料属性在ANSYS中设置好，进行风力发电机导流罩有限元建模并且进行流体分析得到优化前后的对比结果。

说明书全文

基于遗传算法的 风 力发电机导流罩铺层优化设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及风力发电技术领域，具体领域为一种基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法。

背景技术

[0002] 风力发电机导流罩也称为轮毂罩、轮毂帽等，是指风机轮毂的外保护罩，由于在风机迎风状态下，气流会依照导流罩的流线型均匀分流，故称导流罩。

[0003] 风力发电机导流罩是指风机轮毂的外保护罩，由于在风机迎风状态下，气流会依照导流罩的流线型均匀分流，故称导流罩。也称为轮毂罩、轮毂帽等。绝大部分风机的导流罩是玻璃钢材料制作，也有非玻璃钢材质的风力发电机导流罩，如铝合金导流罩等，欧洲的风机制造商选用的较多，其他国家和地区的风力发电机并不常见。碳纤维增强复合材料(CFRP)作为一种新型复合材料，是由碳纤维材料与基体材料(树脂)按一定的比例混合后形成的高性能型材料。质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。

[0004] 工程中，通常采用的标准铺层纤维角度为-45°，0°，45°，90°，而现在生产技术的提高，制造非特殊角度的层合板也并不是问题，本发明关键设计是在于通过优化后层合板铺层角度实现风力发电机导流罩强度的提高。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法，以解决现有技术中风力发电机导流罩结构强度低、发电过程中易出现损坏的问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法，其步骤为：

[0007] (1)运用MATLAB编程，产生关于铺层角度的初始种群；

[0008] (2)MATLAB 软件中调用ANSYS程序，将铺层角度的取值放入层合板的铺层中，分析计算，得到相应的应力值；

[0009] (3)所求应力值带入MATLAB中，按照公式计算，得到相应的强度比，以此可以得到目标函数F(i)，即适应度值的大小；

[0010] (4)在MTALAB中运用遗传算法，对导流罩层合板进行优化。

[0011] 优选的，根据步骤(1)，设计铺层角度变量，记为θ1，θ2，θ3...，θn，其中n为层合板铺层数；

[0012] 染色体编码：以[0/1/2/3]表示常用的铺层角度[-45°/0°/45°/90°]，用二进制编码构成染色体。

[0013] 优选的，根据步骤(2)，应力值计算公式，

[0014]

[0015] 式中R是强度比，表示单层板在施加应力作用下，极限应力的某一分量与其对应的施加应力分量之比，也称为强度/应力比。F11、F1、F12、F2、F66、F22均为强度参数，σ1为纵向应力，σ2为横向应力，σ6为剪切应力。

[0016] 优选的，根据步骤(3)，适应度函数为：

[0017] G(i)＝min(R(i))，i＝1，2，...，n (2)；

[0018] 目标函数为：

[0019] F(i)＝max(G(i))，i＝1，2，...，n (3)。

[0020] 优选的，根据步骤(4)，其具体优化步骤为：

[0021] a、基于适应度选择、交叉、变异操作，旧的种群产生变化；

[0022] b、再根据变化后的种群，产生变化后种群对应的铺层角度，再次带入ANSYS软件中，分析计算所要求的应力值，重新按照公式(1)求得相应的适应度值，基于适应度值重组，生成重组后的种群；

[0023] c、再根据重组后的种群，再次按照公式(1)就算适应度值；

[0024] d、重复步骤4.1，4.2，4.3至最大遗传代数gen＝MAXGEN；

[0025] e、输出每一代的铺层角度、目标函数值，并画出相应的迭代次数与目标函数值的图像。

[0026] 优选的，步骤(e)中目标函数的求解方法，蔡-吴张量理论的强度比方程：

[0027] (Fxxσ2x+2Fxyσxσy+Fyyσ2y+Fssτ2xy)R2+(Fxσx+Fyσy)R-1＝0 (4)[0028] 式(4)中R是强度比，根据蔡-吴张量理论强度比理论，施加的应力或应变在安全范围内时，R>1，R是安全系数的一种评价系数；强度比R就是层合板在应力作用下，极限应力的某一分量与应力分量之比，由此当R的取值越大时，层合板的强度越大；其中：Fxx、Fxy、Fx、Fyy、Fy、Fss均为强度参数，σx为纵向应力，σy为横向应力，τxy为剪切应力。

[0029] 优选的，基于遗传算法进行交叉、变异、重组操作，直到最大迭代次数，输出最优解。

[0030] 优选的，将材料属性在ANSYS中设置好，进行风力发电机导流罩有限元建模并且进行流体分析得到优化前后的对比结果。

[0031] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：在导流罩铺层优化设计中，以铺层角度为设计变量；以标准铺层0°，±45°，90°为约束条件；根据蔡-吴(E.M.Wu)张量理论建立目标函数，以层合板强度最大为目标对导流罩各铺层角度进行优化设计，得到强度最大的导流罩层合板铺层角度结构。本发明利用MATLAB编写主程序，调用ANSYS软件，分析计算节点应力，返回MATLAB，并计算出强度比。所求强度比最大时，即达到优化目标。最后将材料属性在有限元中设置好再进行有限元流体分析，得到优化前后的对比结果。附图说明

[0032] 图1为本发明的导流罩层合板铺层优化流程图；

[0033] 图2为本发明的迭代后的最优解与种群均值变化图；

[0034] 图3为本发明的导流罩有限元模型图；

[0035] 图4为本发明的流体分析收敛后残差曲线图；

[0036] 图5为本发明的导流罩流体分析图。

具体实施方式

[0037] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 请参阅图1至5，本发明提供一种技术方案：一种基于遗传算法的风力发电机导流罩铺层优化设计方法，采用遗传算法，能够由计算机快速求得最优铺层，其具体过程是：

[0039] (1)设计变量：

[0040] 在CFRP导流罩层合板优化中，设计变量是各个铺层角度，记为θ1，θ2，θ3...，θn，其中n为层合板铺层数。

[0041] (2)染色体编码：

[0042] 以[0/1/2/3]表示常用的铺层角度[-45°/0°/45°/90°]，用二进制编码构成染色体。

[0043] (3)适应度函数：

[0044] 根据蔡吴强度理论建立适应度函数：

[0045]

[0046] 式中R是强度比，表示单层板在施加应力作用下，极限应力的某一分量与其对应的施加应力分量之比，也称为强度/应力比。F11、F1、F12、F2、F66、F22均为强度参数，σ1为纵向应力，σ2为横向应力，σ6为剪切应力。适应度函数为：

[0047] G(i)＝min(R(i))，i＝1，2，...，n(2)

[0048] (4)目标函数。在导流罩分析中，优化目标是强度最大，由此可以得到目标函数为：

[0049] F(i)＝max(G(i))，i＝1，2，...，n(3)。

[0050] 风力发电机导流罩铺层优化设计步骤为：

[0051] 步骤(1)运用MATLAB编程，产生关于铺层角度的种群；

[0052] 步骤(2)MATLAB软件中调用ANSYS程序，将铺层角度的取值放入层合板的铺层中，分析计算，得到相应的应力值；

[0053] 步骤(3)所求应力值带入MATLAB中，按照公式(1)计算，得到相应的强度比，以此可以得到目标函数f(i)，即适应度值的大小；

[0054] 步骤(4)在MTALAB中运用遗传算法，对导流罩层合板进行优化。

[0055] 4.1基于适应度选择、交叉、变异操作，旧的种群产生变化；

[0056] 4.2再根据变化后的种群，产生变化后种群对应的铺层角度，再次带入ANSYS软件中，分析计算所要求的应力值，重新按照公式(1)求得相应的适应度值，基于适应度值重组(适应度值大的个体被留下来)，生成重组后的种群；

[0057] 4.3再根据重组后的种群，再次按照公式(1)就算适应度值；

[0058] 4.4重复步骤4.1，4.2，4.3至最大遗传代数gen＝MAXGEN；

[0059] 4.5输出每一代的铺层角度、目标函数值，并画出相应的迭代次数与目标函数值的图像。

[0060] 所述步骤(4)中目标函数的求解方法，蔡-吴(E.M.Wu)张量理论的强度比方程：

[0061] (Fxxσ2x+2Fxyσxσy+Fyyσ2y+Fssτ2xy)R2+(Fxσx+Fyσy)R-1＝0 (4)[0062] 式(4)中R是强度比，根据蔡-吴张量理论强度比理论，施加的应力或应变在安全范围内时，R>1，R是安全系数的一种评价系数。强度比R就是层合板在应力作用下，极限应力的某一分量与应力分量之比，由此当R的取值越大时，层合板的强度越大。其中：Fxx、Fx、Fyy、Fy、Fss、Fxy均为强度参数，σx为纵向应力，σy为横向应力，τxy为剪切应力。

[0063] (5)基于遗传算法进行交叉、变异、重组操作，直到最大迭代次数，输出最优解。

[0064] (6)将材料属性在ANSYS中设置好，建立风力发电机导流罩有限元建模并且进行流体分析。

[0065] 表1导流罩优化前后变形量的比较

[0066] 最大变形/mm
优化前 0.000345
优化后 0.000293
优化百分比 15.07％

[0067] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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