風機葉片復合材料優(yōu)化設計結果及價值

     隨著風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，如碳纖維增加復合材料或碳納米管增強復合材料。由于碳纖維和碳納米管成本較高，風機葉片成本相應提高。如何在保證其最佳力學性能的前提下同時實現(xiàn)大型化、輕量化和低成本是當前該領域的研究熱點。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)結構的力學性能。所以通過對風機葉片復合材料進行拓撲優(yōu)化設計，能夠實現(xiàn)低成本、輕量化設計。同時工程實際中風機葉片復合材料為三位結構，從而開展三位復合材料結構拓撲優(yōu)化更符合工程實際和具有應用價值。
      以復合材料三維等效彈性矩陣主對角線分量的加權組合為優(yōu)化目標、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)化準則法結合靈敏度過濾技術對問題進行求解，得到了不同優(yōu)化目標下的微結構。數(shù)值算例表明，微結構構型符合拓撲優(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)化目標不存在上下起伏的情況。優(yōu)化結果可為風機葉片符合材料微機構設計提供一定的參考。