風力發電機葉片內部梁的拓撲優化

摘 要：目前，風力發電機正朝著大功率、大型化、輕量化發展，形狀優化和尺寸優化對于結構的設計具有一定的局限性，隨著拓撲優化的發展，設計人員可以從根本上改變材料布局，更大程度地減輕結構重量，可以為風力機葉片的結構設計提供參考。

關鍵詞：輕量化；拓撲優化；風力機葉片

葉片在外部載荷的作用下旋轉，帶動發電機工作，是風力機的最重要部件之一。葉片內部的支撐梁作為支撐件，主要作用是保持翼型和承受葉片扭轉載荷。隨著風機向大功率方向發展，葉片尺寸也逐漸增大，隨著尺寸增大質量也逐步增加，質量增加會對風機系統造成很大的負擔，故需要進行輕量化。由于蒙皮厚度由載荷決定，并且蒙皮還需要保持一定的形狀，故只對內部支撐梁進行拓撲優化，減少梁的材料布局，達到輕量化的目的[1]。

1 拓撲優化簡介

拓撲優化是結構優化的一種，拓撲優化相對于尺寸優化和形狀優化，具有更多的設計自由度，能夠獲得更大的設計空間，是結構優化最具發展前景的一個方面。拓撲優化的本質是利用能量原理，求出給定條件下使結構剛度最大的最優材料分布模式，也就是結構的最理想的“傳力路徑”，從而實現減輕結構重量或優化結構的某些性能。拓撲優化方法的主要思想不是直接尋求結構的最優拓撲，而是轉化尋求結構的最優拓撲問題為在給定的設計區域內尋求最優材料的分布問題。

2 風力機葉片模型的建立

葉片設計包括氣動設計和結構設計兩部分[2]。葉片外形決定葉片氣動性能，結構則決定其承載能力。目前，葉片氣動設計主要用葛勞渥特的經典葉素-動量法，這種設計方法是在葉素動量理論基本算法基礎上加上兩種修正，以保證獲得更好的計算結果，第一項修正成為普朗特葉尖損失系數，修正葉片數無窮的假象；第二項成為葛勞渥特修正，當軸向誘導因子a約大于0.4時，推力系數與軸向誘導因子之間的經驗公式[3]。本文借助MATLAB和ANSYS軟件對100KW風力機葉片進行設計。葉片截面結構圖、葉片模型如圖1、2所示。

3 拓撲優化

以最小柔度作為優化目標，體積作為約束函數，選取一段葉片，只對主梁進行拓撲優化，經過30步迭代，得到優化后梁的密度云圖。進入后處理模塊，查看變形圖。對比優化前后的變形圖，優化后葉片性能有所改善。

圖3為拓撲優化密度云圖，紅色部分為優化后留下的部分，藍色部分為去掉部分。

圖4、圖5分別為優化前后葉片的變形圖。

4 結論

拓撲優化前變形量為0.265e-3m，優化后變形量為0.261e-3m，在梁質量減小40%的情況下，葉片變形量有了小幅的減小，減小了葉片的變形程度，從而證明上述方法對改進葉片靜態特性是有效的。

通過折衷規劃法和功效函數法，以柔度最小化作為優化目標，建立合理的拓撲優化數學模型，利用CAE分析軟件Ansys中的Topological Opt優化模塊對風力機葉片梁進行拓撲優化，得到梁的最佳材料分布。對風力機葉片梁的結構設計方面提供了理論指導，大大提高了風力機葉片梁的設計效率。

參考文獻：

[1]印長磊，王英玉.飛機機翼結構型式的拓撲優化[J].江蘇航空，2014，3（138）：8-10.

[2]趙丹平，徐寶清.風力機設計理論及方法[M].北京：北京大學出版社，2012（01）：73-73.

[3]漢森（著），肖勁松（譯）.風力機空氣動力學[M].北京：中國電力出版社，2009（06）：41-42.

[4]饒柳生，侯亮，潘勇軍.基于拓撲優化的機床立柱筋板改進[J].機械設計與研究，2012，26（01）：87-92.

作者簡介：潘福強（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向：先進制造工藝、裝備及其自動化。