[发明专利]一种基于结构拓扑优化的风力机叶片优化设计方法

摘要

本发明公开了一种基于结构拓扑优化的水平轴风力机叶片的优化设计方法，所述叶片包括腹板（4）、梁帽（3、5）和蒙皮（1），所述设计方法，包括以下步骤：采用现有叶片设计方法，确定叶片的气动外形参数和结构参数；采用拓扑优化方法，对所述结构的梁帽、腹板进行开孔设计；通过优化计算，确定开孔的初步设计位置、数量和尺寸；对拓扑优化所获得的叶片结构进行强度、刚度和疲劳校核，根据校核结果，再进行结构调整，以保证叶片具有良好的结构性能。通过在腹板、梁帽上设置开孔的设计方法，可实现在保持叶片结构强度、刚度与抗疲劳性能的同时，减轻了其重量，不仅降低叶片成本，同时也有利于减少叶片载荷。

主权项

一种基于结构拓扑优化的水平轴风力机叶片的优化设计方法，所述叶片包括蒙皮（1）、腹板（4）和梁帽（3、5），所述梁帽（3、5）与腹板（4）包括若干个开孔（6、7、8），其特征在于，该优化设计方法包括以下步骤：1）根据设计要求，采用现有的叶片设计方法，确定叶片的气动外形参数和腹板（4）、梁帽（3、5）的初始结构参数，作为优化前的初始设计；2）采用有限元数值分析方法，对所设计的初始叶片结构进行有限元网格划分，根据叶片实际承载情况确定其边界条件；3）以梁帽（3、5）与腹板（4）上材料质量的分布为优化设计变量，以保障叶片承载能力的前提下，降低叶片重量为优化目标；4）通过采用通用的拓扑优化方法，对上述优化目标及变量下的叶片结构进行优化分析，依据分析结果，并在考虑叶片加工工艺的情况下，对腹板（4）与梁帽（3、5）进行开孔设计，确定腹板（4）与梁帽（3、5）的初步开孔位置及开孔尺寸；5）完成步骤1）至步骤4）后，得到初步设计完成的叶片结构；6）根据设计要求，对初步设计完成的叶片结构进行强度、刚度和疲劳校核，根据校核结果，对初步设计的叶片结构进行调整，获得保证叶片具有良好结构性能的最终结构形式；通过以上步骤实施，完成叶片的拓扑优化设计过程，在设计过程中，对叶片的气动外形不做调整，保持与步骤1）中一致，以保证其气动性能符合设计要求。