風(fēng)機葉片復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計結(jié)果及價值

     隨著風(fēng)機葉片尺寸向大型化發(fā)展，目前葉片通過采用輕質(zhì)高強性能的符合材料來達到其減重的目的，如碳纖維增加復(fù)合材料或碳納米管增強復(fù)合材料。由于碳纖維和碳納米管成本較高，風(fēng)機葉片成本相應(yīng)提高。如何在保證其最佳力學(xué)性能的前提下同時實現(xiàn)大型化、輕量化和低成本是當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點。拓撲優(yōu)化可以在給定材料組分及用量的情況下，通過改變其材料布局實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。所以通過對風(fēng)機葉片復(fù)合材料進行拓撲優(yōu)化設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、輕量化設(shè)計。同時工程實際中風(fēng)機葉片復(fù)合材料為三位結(jié)構(gòu)，從而開展三位復(fù)合材料結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化更符合工程實際和具有應(yīng)用價值。
      以復(fù)合材料三維等效彈性矩陣主對角線分量的加權(quán)組合為優(yōu)化目標(biāo)、總實體材料體積分數(shù)為約束條件，建立了三維拓撲優(yōu)化模型。采用優(yōu)化準(zhǔn)則法結(jié)合靈敏度過濾技術(shù)對問題進行求解，得到了不同優(yōu)化目標(biāo)下的微結(jié)構(gòu)。數(shù)值算例表明，微結(jié)構(gòu)構(gòu)型符合拓撲優(yōu)化材料分布規(guī)律，優(yōu)化過程平穩(wěn)，迭代次數(shù)少并且收斂速度快，優(yōu)化目標(biāo)不存在上下起伏的情況。優(yōu)化結(jié)果可為風(fēng)機葉片符合材料微機構(gòu)設(shè)計提供一定的參考。