摘要
风能是可再生的清洁能源，有着巨大的发展潜力和广阔的应用前景，风力机在风力发电中得到广泛的运用。叶片是风力机最为关键的构件之一，其设计的好坏直接关系着风能的利用效率和风力发电的经济效益。风力机叶片质量的增加会增加叶片的制造成本，所以需要对风力机进行优化，以达到减轻叶片重量、节约制造成本的目的。 本文基于动量-叶素理论设计200kW水平轴风力机，并利用MATLAB计算得出合理的叶片的气动外形数据。同时考虑叶尖损失系数、轮毂损失系数对叶素理论进行了修正，并结合葛劳渥特理论和叶栅理论对叶片进行气动性能及载荷计算;采用简化设计方法对叶片进行初步的结构设计，得出叶片各段剖面的厚度;利用MATLAB将叶片各截面的二维翼型数据转换为三维空间坐标，在ANSYS中建立风力机叶片的有限元模型。利用ANSYS对叶片厚度进行尺寸优化，并对优化前后的风机叶片进行校核，为随后的拓扑优化提供了理论依据。以ANSYS静力分析结果为基础，以结构柔度最小化作为优化目标对叶片主梁进行拓扑优化，去除利用率不高的材料，使其材料布局达到最优，根据优化结果重新建立叶片模型，将优化前后的结果进行比较，通过对比验证了拓扑优化后的结构满足使用要求。
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