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風機葉片復合材料優化設計結果及價值

隨著風機葉片尺寸向大型化發展，目前葉片通過采用輕質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大型化、輕量化和低成本是當前該領域的研究熱點。拓撲優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結構的最優力學性能。所以通過對風機葉片復合材料進行拓撲優化設計，能夠實現低成本、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化目標、總實體材料體積分數為約束條件，建立了三維拓撲優化模型。采用優化準則法結合靈敏度過濾技術對問題進行求解，得到了不同優化目標下的最優微結構。數值算例表明，微結構構型符合拓撲優化材料分布規律，優化過程平穩，迭代次數少并且收斂速度快，優化目標不存在上下起伏的情況。優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。
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