3  案例：材料的革新——竹層積材
　　3.1設(shè)計(jì)前提：新材料的引入
　　在進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)的過程中，材料的選擇對(duì)于降低成本，提高性價(jià)比是很重要的步驟。由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程第一步只考慮葉片形狀設(shè)計(jì)，卻忽略了葉片形狀設(shè)計(jì)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和造價(jià)上帶來的困難，因而不得不采用性能優(yōu)良但價(jià)格昂貴的碳纖維作為主要材料。碳纖維昂貴的價(jià)格和目前的供應(yīng)不足不利于葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最小化成本的優(yōu)化目標(biāo)，研究人員已經(jīng)開始探討關(guān)于碳-玻璃混合纖維(Carbon Glass fiber hybrid)的可能性[5]，除了廣泛采用的碳纖維和玻璃鋼葉片，天然木材也是葉片制造的可選材料。
　　目前世界上有幾千片兆瓦級(jí)木質(zhì)復(fù)合材料葉片（以下簡(jiǎn)稱木質(zhì)葉片）正在運(yùn)轉(zhuǎn)，且工作情況良好。木質(zhì)葉片生產(chǎn)工業(yè)于1986年由Jim Platts在英國(guó)懷特島首創(chuàng)，1993年NEG Micon首次在兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)中使用，2004年Vestas開始使用。木質(zhì)葉片除了體現(xiàn)出最佳的重量?jī)r(jià)格比與能耗產(chǎn)出比之外，木質(zhì)葉片生產(chǎn)技術(shù)還降低了生產(chǎn)設(shè)備費(fèi)用和人工費(fèi)用，提高了生產(chǎn)速度，降低了生產(chǎn)能耗，提高了生產(chǎn)中工人的健康與安全因素。由于使用復(fù)合材料比例較小，木質(zhì)葉片對(duì)石油價(jià)格浮動(dòng)的依賴性也相對(duì)較小。
　　目前木質(zhì)葉片所選用的木材主要是芬蘭樺木(Finland Birch)；而全世界唯一比芬蘭樺木更適合做葉片原材料的植物是中國(guó)的竹材(Bamboo)。相對(duì)于木材，竹材擁有更好的結(jié)構(gòu)性能與更快的生長(zhǎng)速度，而且竹材是我國(guó)的優(yōu)勢(shì)資源，在我國(guó)產(chǎn)量充足，這將進(jìn)一步降低葉片的價(jià)格并提高結(jié)構(gòu)性能。通過與國(guó)際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心合作研究竹材力學(xué)性能、疲勞性能、干燥及粘合性能，我們進(jìn)一步開發(fā)了以竹復(fù)合板材為主要結(jié)構(gòu)體的葉片制造工藝。
　　本案例即以竹材的引入作為結(jié)構(gòu)優(yōu)先設(shè)計(jì)的前提。
　　3.2    結(jié)構(gòu)分析
　　木質(zhì)葉片/竹質(zhì)葉片可以作為優(yōu)良的主體支撐材料，與碳纖維比較，最大的優(yōu)勢(shì)在于提供同樣力學(xué)性能所需材料的經(jīng)濟(jì)效益（性價(jià)比，生產(chǎn)能耗比等）更高；但是在進(jìn)一步進(jìn)行形狀設(shè)計(jì)之前，需要明確該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的重大變化對(duì)形狀設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響——這個(gè)分析過程是結(jié)構(gòu)優(yōu)先的設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法的主要不同點(diǎn)所在。
　　首先，同樣截面積的竹材的力學(xué)性能（拉伸模量，壓縮模量等）不如碳纖維。為了滿足相同的力學(xué)設(shè)計(jì)要求，竹質(zhì)葉片的壁厚要比碳纖維葉片的厚，但是壁厚作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)不能用葉片形狀的參數(shù)表達(dá)，所以在形狀設(shè)計(jì)時(shí)可以暫時(shí)不必考慮，而將該重要的約束條件留在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行。
　　其次，竹層積材的加工工藝中為了使較長(zhǎng)的竹材在力學(xué)性能上有更大的優(yōu)勢(shì)，要求葉型在沿葉片長(zhǎng)度的方向要避免突變，否則，將不得不采用更多更短然而性能將更差的竹材來擬合葉片的曲面。由此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)形狀設(shè)計(jì)給出的約束可以用葉型參數(shù)來描述為“曲率的均方小于給定值”
　　3.3    形狀設(shè)計(jì)
　　通過以上結(jié)構(gòu)分析，我們已經(jīng)提出了一系列指標(biāo)集作為結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果，作為形狀設(shè)計(jì)過程的約束，該約束即為“結(jié)構(gòu)優(yōu)良葉型”的數(shù)學(xué)表達(dá)。這時(shí)形狀設(shè)計(jì)問題即為：
　　通過數(shù)學(xué)工具，解決以上優(yōu)化問題，得到在此條件下的最優(yōu)的葉型設(shè)計(jì)。
　　3.4    結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)果調(diào)整