風機葉片的結構優先設計方法

　　1.風機葉片設計方法概述
　　風機葉片設計過程通常包括兩個階段：葉片形狀設計和葉片結構設計。按照以上兩個過程在設計中的實施順序和優化目標，現有的風機葉片設計方法大致可以分為以下3種：
　　1.1    傳統的設計方法：先形狀后結構[1]
　　先形狀后結構的設計方法是先進行形狀設計，然后在最優的形狀設計基礎上進行結構設計。葉片形狀設計的優化目標是最大化能量輸出，在設計壽命一定的前提下，該目標記為max AEP (Annual Energy Production)；而葉片結構設計則是在滿足應力/振動/疲勞等約束的前提下，選擇合適的結構、材料和加工工藝，以實現成本最小化，該目標記為min TCO (Total Cost of Ownership)。
　　該方法的優點是將葉片形狀設計和結構設計解耦，降低了設計的復雜度；缺點是由于形狀設計先于結構設計，則在優化的早期過度的強調了形狀的重要性，雖然獲得了最優的形狀設計，但卻伴隨著難以實現的結構設計和較昂貴的材料（如碳纖維）。
　　1.2    折衷的設計方法：氣動性能的犧牲換取結構優化[2]
　　 針對傳統的設計方法的缺點，設計人員在該設計方法的基礎上進行了改進，用折衷(Trade-off)的辦法來處理葉片結構設計和形狀設計的矛盾。通常的做法是：首先按照先形狀后結構的方法進行設計，然后針對結構設計結果中的瓶頸參數，適當的放松對葉片形狀設計的優化要求，通過在最優的形狀設計的附近進行小范圍的調整來達到以少量的性能犧牲換取大量的成本降低。但該方法仍然是圍繞葉片形狀設計的最優結果進行的局部尋優過程，并且該性能犧牲未必能確保該優化過程在有限次內收斂。
　　1.3    全局尋優的設計方法：同時進行形狀設計和結構設計[3]
　　為了達到更加接近于全局最優的設計結果，設計人員提出了將葉片的形狀設計和結構設計同時綜合考慮的設計方法。他借助CAD和高性能計算等手段，同時優化葉片的結構和形狀，使葉片設計最大限度的接近全局最優。該方法的優化目標是使度電成本COE（Cost of Energy）最小化。該指標是業界公認的風機優化設計指標，如（1）所示，COE兼顧了MaxAEP和MinTCO兩個重要指標，通過適當的修正，它將更適用于風機葉片的設計。