风力机叶片结构拓扑优化设计★

章游游 郑玉娇 陈雨嫣 孙梅梅 汤嘉勉 朱 杰

(嘉兴学院建筑工程学院，浙江 嘉兴 314001)



·机械与设备·

风力机叶片结构拓扑优化设计★

章游游 郑玉娇 陈雨嫣 孙梅梅 汤嘉勉 朱 杰

(嘉兴学院建筑工程学院，浙江 嘉兴 314001)

通过建立某1.5 MW叶片有限元模型，对其进行结构拓扑优化设计，得到了材料最佳拓扑分布形式，并提出了改进结构形式的概念设计方案，可为叶片新型结构设计或改进提供参考。

风力机叶片，结构设计，拓扑优化，有限元模型

结构设计是风力机叶片设计的一个中心环节，优化设计技术在其中占有相当重要的地位[1]。许多学者在这方面展开了深入研究[2-5]，但均未从根本上改变叶片结构形式，无法体现真正意义上的最优设计。因此，通过结构拓扑优化，寻求新型或改进的结构形式，对风力机叶片的设计具有重要的指导意义。

1 叶片有限元模型构建

1.1 叶片几何结构

本文所研究的1.5 MW风力机叶片长37 m，剖面结构形式如图1所示，主要包括主梁、腹板、前缘与后缘四部分，在后缘尾缘处铺设了加强梁，以提高其强度、刚度及稳定性。

1.2 叶片有限元模型

在ANSYS中建立叶片实体模型，采用Solid95实体单元对叶片进行自由网格划分。材料参数为：弹性模量E=42.2 GPa，泊松比v=0.24，密度ρ=1 910 kg/m3。综合考虑计算精度与计算时间，单元尺寸大小定为0.1。叶片实体单元有限元模型见图2。

1.3 模型载荷及边界条件

有限元模型载荷为考虑载荷因子为0.5的极限挥舞与极限摆振载荷组合作用工况。将叶片视为悬臂梁模型，并将极限挥舞载荷和极限摆振载荷分别简化为5个集中力施加于叶片不同位置，具体加载情况如表1所示。

表1 叶片加载情况

2 优化结果及分析

采用ANSYS拓扑优化模块进行体积约束下的最大刚度设计，设定体积减少80%，最大迭代次数为50次。

图3为叶片整体材料密度分布图。由于极限挥舞载荷值较大，在拓扑优化时起主导作用，因此材料的分布主要集中在叶片上、下表面，形成主梁结构。极限摆振载荷的作用使主梁的位置发生了一定的偏移。材料在叶片上表面的分布向后缘偏移，在下表面则向前缘偏移。

为了进一步说明材料在叶片内部的分布情况，选取3个截面(分别位于25%,50%和75%叶片长度处)进行分析，如图4所示。由图4可见，叶片材料在上、下主梁上明显呈非对称分布。材料厚度沿叶片展向呈先减小、后增大、再减小的分布趋势，这与实际叶片主梁复合材料的铺层厚度分布规律一致。叶片中段至叶尖处由于主梁厚度减小，为了提高刚度，在上、下主梁之间形成了腹板结构，起支撑主梁作用，并承担部分载荷。

从拓扑优化结果可以看出，在极限荷载作用下，主梁是叶片的主要承载结构，腹板对主梁起支撑作用，前、后缘主要起维持叶片气动外形的作用。这与目前叶片结构形式的设计方案相吻合，从拓扑的角度，验证了该结构形式的合理性。另外，经分析可知，通过合理调整主梁在叶片上、下缘的布置位置，可有效提高叶片整体刚度。

对优化结果进行综合处理，给出叶片各截面的概念设计方案：叶根截面设计成圆环形，以便其能方便的通过螺栓与轮毂进行连接；对主梁进行一定的偏置，在上表面向后缘偏置，在下表面向前缘偏置；从叶片中段起至叶尖处布置起支撑作用的腹板，以防止叶片失稳和局部变形过大。

3 结语

将拓扑优化方法引入风力机叶片设计中，通过建立叶片实体单元有限元模型，对其进行极限载荷作用下的结构拓扑优化设计，得出满足体积约束的材料最佳拓扑分布形式，并提出了改进叶片结构形式的概念设计方案，可为叶片新型结构形式的设计或结构形式的改进提供参考。

[1] 靳交通,周鹏展.大型水平轴式风电叶片的结构设计[J].可再生能源,2009,27(2):65-68.

[2] 冯消冰,黄 海,王 伟.大型风机复合材料叶片铺层优化设计[J].玻璃钢/复合材料,2013(3):3-7.

[3] 杨从新,张 强.大型风力机叶片盒型主梁主参数优化计算[J].兰州理工大学学报,2014,40(2):69-72.

[4] 朱 杰,蔡 新,潘 盼,等.风力机叶片结构参数敏感性分析及优化设计[J].河海大学学报(自然科学版),2015,43(2):156-162.

[5] 张明辉,宋丹丹,王 海.基于改进遗传算法的风机叶片结构优化设计[J].煤矿机械,2015,36(10):179-182.

Structural topology optimization design of wind turbine blade★

Zhang Youyou Zheng Yujiao Chen Yuyan Sun Meimei Tang Jiamian Zhu Jie

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,JiaxingUniversity,Jiaxing314001,China)

The structural topology optimization of a 1.5 MW wind turbine blade is carried out through the establishment of a finite element model. The best material topological distribution form is obtained, and the conceptual design scheme which can improve the structural form is proposed, provide some references for the new structural design or improvement of wind turbine blades.

wind turbine blade, structural design, topology optimization, FEM model

1009-6825(2017)15-0203-02

章游游(1997- )，男，在读本科生

2017-03-16

TK83

A

★:嘉兴学院大学生研究训练(SRT)计划项目“基于拓扑优化的风力机叶片结构最优体型研究”(编号：SRT2016C155)