风机叶片复合材料优化设计结果及价值

随着风机叶片尺寸向大型化发展，目前叶片通过采用轻质高强性能的符合材料来达到其减重的目的，如碳纤维增加复合材料或碳纳米管增强复合材料。由于碳纤维和碳纳米管成本较高，风机叶片成本相应提高。如何在保证其最佳力学性能的前提下同时实现大型化、轻量化和低成本是当前该领域的研究热点。拓扑优化可以在给定材料组分及用量的情况下，通过改变其材料布局实现结构的最优力学性能。所以通过对风机叶片复合材料进行拓扑优化设计，能够实现低成本、轻量化设计。同时工程实际中风机叶片复合材料为三位结构，从而开展三位复合材料结构拓扑优化更符合工程实际和具有应用价值。

以复合材料三维等效弹性矩阵主对角线分量的加权组合为优化目标、总实体材料体积分数为约束条件，建立了三维拓扑优化模型。采用优化准则法结合灵敏度过滤技术对问题进行求解，得到了不同优化目标下的最优微结构。数值算例表明，微结构构型符合拓扑优化材料分布规律，优化过程平稳，迭代次数少并且收敛速度快，优化目标不存在上下起伏的情况。优化结果可为风机叶片符合材料微机构设计提供一定的参考。