随着陆上风电和海上风电的叶片越来越趋向于大型化,减小叶片载荷和质量,提高叶片气动性能成为十分重要的设计内容。叶片越长,叶片变形对叶片性能的影响也越大,因此采用叶尖挥舞方向变形对叶片性能进行评估,基于叶素-动量理论,实现气动与结构的耦合设计,缩短叶片设计周期。以5.8 MW、85 m叶片为例,叶片挥舞方向变形为14.5 m,符合设计要求。

通过限制叶片的变形范围,以发电量最大为目标函数,使叶片在轻量化以及刚性方面取得平衡,并通过粒子群优化算法,全局进行寻优。以5.8 MW,85 m叶片为例,通过查表插值求得叶片各截面刚度分布,并采用二结点梁单元分段进行叶片挥舞方向的变形,在变形约束内,求得发电量最高所对应的叶片几何参数。

由FOCUS得到叶片截面单位长度质量分布。通过正交试验构建与弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数相对应的数据库。通过各截面弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数在数据库中对截面的单位长度质量进行搜索插值，得到截面单位质量，再积分得到叶片的总质量。以5.8 MW，85 m叶片为例，给定叶片几何参数，在数据库中进行插值，求解叶片总质量。

基于气动、结构一体化设计的理念，通过程序脚本驱动，由FOCUS得到叶片刚度分布。通过正交试验构建与弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数相对应的数据库。在气动与结构计算相互迭代的过程中，根据叶片弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数调用刚度数据库插值得到刚度。从叶片几何参数设计、刚度求解以及挥舞变形求解，实现叶片气动、结构一体化耦合设计。以5.8 MW，85 m叶片为例，限定叶片挥舞变形为16 m，求解得到的叶片符合设计需求。