拓扑优化驱动的海上复合材料风力发电机叶片设计

摘要整理

随着风力发电机功率的增加，叶片尺寸显著增大至100 m以上。优化大型海上复合材料风力发电机叶片的内部结构布局，在满足结构安全要求的同时提高叶片发电效率并实现轻量化，变得越来越重要。本研究采用拓扑优化方法对NREL 5 MW海上复合材料风力发电机叶片的全尺度内部布局进行了精细设计。首先基于计算流体动力学模拟了叶片的气动风载荷；其次采用变密度拓扑优化方法进行叶片内部结构设计；再次根据应力水平、叶片尖端最大位移和疲劳寿命对第一代和第二代多腹板内部布局进行了反向设计和评估。与参考叶片相比，优化后叶片在满足应力和疲劳寿命要求的条件下，总体重量降低了9.88%，表现出更好的发电效率。最后对设计叶片的振动模态和全生命周期进行了分析。该设计理念和新型结构架构对先进风力发电机的改进具有参考价值。

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