朱 杰,马东方,张家亮,杜永飞,张 灵

（1.宁波大学科学技术学院 建筑工程学院,浙江 宁波 315300;2.嘉兴学院 建筑工程学院,浙江 嘉兴 314001）

为了能与传统发电方式竞争,对风力机进行降本增效一直是研究者关注的热点之一.叶片作为风力机最核心部件,对其进行优化是一条有效途径.通过合理设计叶片气动外形与内部结构,可提高风能利用率、增大发电量、减轻质量,进而降低成本[1-2].国内外学者在这方面开展了大量研究,但这些研究大多集中在对传统结构形式叶片的尺寸和形状优化.有资料表明[3-5],传统形式叶片内部结构及相关优化技术已逐渐成熟,若不作出重大改变,其优化效益将愈来愈有限.

目前,为了进一步实现降本增效,利用拓扑优化技术在概念设计阶段探究叶片内部结构形式逐渐受到关注.Joncas 等[6]对一小段叶片进行以最小柔顺度为目标的拓扑优化,结果显示叶片内部材料形成了与传统结构形式相似的主梁帽与腹板,但同时出现了新的肋板结构.Forcier 等[7-8]在文献[6]基础上通过将研究对象扩展为半根叶片,得到了类似结果,并对拓扑概念方案进行尺寸优化,最终减轻了叶片质量.刘旺玉等[9-10]基于植物叶脉中轴对称结构的增强机理,提出了一种仿中轴图式拓扑结构的风力机柔性叶片设计方法,以最小柔顺度为目标,对一小段叶片进行拓扑优化,获得了与植物叶脉结构相似的材料分布结果,并利用仿生学方法重新设计主梁帽材料铺……