风力机叶片腹板结构拓扑优化设计研究
Research on topology optimization design of wind turbine blade web structure
- 机械强度 2026年48卷第3期 页码：77-86
- 作者机构：
1.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093
2.上海非碳基能源转换与利用研究院，上海 200240
- 作者简介：
范士杰，男，1998年生，河南汝州人，在读硕士研究生；主要研究方向为风力机结构设计；E-mail：sjfan0806@163.com。
缪维跑（通信作者），男，1990年生，浙江温州人，博士，副教授，硕士研究生导师；主要研究方向为风力机流固耦合问题及优化设计；E-mail：mwpusst@163.com。
- 基金信息：国家自然科学基金项目(52106262;52376204);上海市Ⅳ类高峰学科-能源科学与技术-上海非碳基能源转换与利用研究院建设项目
DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.03.009
中图分类号： TK83收稿：2024-08-07，
修回：2024-08-13，
纸质出版：2026-03-15
- 稿件说明：
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范士杰，寿昊楠，缪维跑，等. 风力机叶片腹板结构拓扑优化设计研究［J］. 机械强度，2026，48（3）：77-86.
FAN Shijie，SHOU Haonan，MIAO Weipao，et al. Research on topology optimization design of wind turbine blade web structure［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（3）：77-86.
范士杰，寿昊楠，缪维跑，等. 风力机叶片腹板结构拓扑优化设计研究［J］. 机械强度，2026，48（3）：77-86. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.03.009.
FAN Shijie，SHOU Haonan，MIAO Weipao，et al. Research on topology optimization design of wind turbine blade web structure［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（3）：77-86. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.03.009.
摘要
目的
2
针对目前风力机叶片结构优化多集中于尺寸或铺层而内部构型相对固定的局限性，通过拓扑优化寻求叶片腹板的最优材料布局，实现叶片的轻量化设计并探索结构创新。
方法
2
首先，基于Abaqus软件拓扑优化模块，建立了叶片腹板的拓扑优化模型；其次，以结构刚度最大化为目标函数，在满足体积约束的前提下优化了材料分布；最后，对优化后的新型腹板结构进行了质量分布、刚度分布、抗振性能以及屈曲性能的综合对比分析。
结果
2
结果表明，优化后的腹板质量降低约4.56%；新型构型在保持叶片整体质量与刚度分布基本不变的同时，具有良好的抗振性能。尽管腹板最大应力有所增大且屈曲因子因支撑减弱而略有降低，但均处于材料允许范围及安全区间内，验证了拓扑优化在叶片轻量化设计中的有效性。
Abstract
Objective
2
In view of the current limitation that the structural optimization of wind turbine blades mainly focuses on size or layup while the internal configuration is relatively fixed
through the topology optimization to seek the optimal material layout for the blade web
achieve lightweight design of the blade and explore structural innovation.
Methods
2
Firstly
the topology optimization module of Abaqus software was adopted to establish the web structure optimization model. Secondly
with the maximization of structural stiffness as the objective function
the material distribution was optimized under the premise of meeting volume constraints. Finally
a comprehensive comparative analysis was conducted on the mass distribution
stiffness distribution
vibration resistance performance and buckling performance of the optimized new web structure.
Results
2
The results show that the mass of the web plate is reduced by approximately 4.56% after optimization. The topology optimization of the blade web does not significantly affect the overall mass and stiffness distribution
maintaining good vibration resistance. Although the maximum stress of the web plate has increased and the buckling factor has slightly decreased due to the weakened support
they are all within the allowable range and safety range of the material
verifying the topological optimization effectiveness in the lightweight design of blades.
关键词
Keywords
references
许瑾 . 风电机组多体动力学模型及其应用研究 ［D］. 北京 ： 中国科学院大学 ， 2021 ： 1 - 4 ．
XU Jin . Research on multi-body dynamies model of wind turbine and its application ［D］. Beijing ： University of Chinese Academy of Sciences ， 2021 ： 1 - 4 . （In Chinese）
NEJAD A R ， KELLER J ， GUO Y ， et al . Wind turbine drivetrains：state-of-the-art technologies and future development trends ［J］. Wind Energy Science ， 2022 ， 7 （ 1 ）： 387 - 411 .
BARNES R H ， MOROZOV E V . Structural optimisation of composite wind turbine blade structures with variations of internal geometry configuration ［J］. Composite Structures ， 2016 ， 152 ： 158 - 167 .
张鑫桂 . 风电叶片复合材料主梁结构的多尺度可靠性优化设计研究 ［D］. 上海 ： 东华大学 ， 2023 ： 63 .
ZHANG Xingui . Research on multi-scale reliability-based design optimization of composites main beam structure for wind turbine blades ［D］. Shanghai ： Donghua University ， 2023 ： 63 . （In Chinese）
JONCAS S ， DE RUITER M J ， VAN KEULEN F . Preliminary design of large wind turbine blades using layout optimization techniques ［C］// 10th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference . Reston ： AIAA ， 2004 ：AIAA2004-4655.
BUCKNEY N ， GREEN S ， PIRRERA A ， et al . On the structural topology of wind turbine blades ［J］. Wind Energy ， 2013 ， 16 （ 4 ）： 545 - 560 .
WANG Z J ， SUIKER A S J ， HOFMEYER H ， et al . Coupled aerostructural shape and topology optimization of horizontal-axis wind turbine rotor blades ［J］. Energy Conversion and Management ， 2020 ， 212 ： 112621 .
朱杰 ， 马东方 ， 张家亮 ， 等 . 基于拓扑与尺寸优化的风力机叶片轻量化设计 ［J］. 宁波大学学报（理工版） ， 2021 ， 34 （ 6 ）： 67 - 73 .
ZHU Jie ， MA Dongfang ， ZHANG Jialiang ， et al . Lightweight design of wind turbine blade based on topology and size optimization ［J］. Journal of Ningbo University （Natural Science & Engineering Edition） ， 2021 ， 34 （ 6 ）： 67 - 73 . （In Chinese）
SONG J ， CHEN J Y ， WU Y F ， et al . Topology optimization-driven design for offshore composite wind turbine blades ［J］. Journal of Marine Science and Engineering ， 2022 ， 10 （ 10 ）： 1487 .
JONKMAN J ， BUTTERFIELD S ， MUSIAL W ， et al . Definition of a 5 MW reference wind turbine for offshore system development ［J］. Technical Report ， 2009 （ 2 ）： 1 - 75 .
RESOR B R . Definition of a 5MW/61.5m wind turbine blade reference model ［R］. New Mexico ： Sandia National Laboratories ， 2013 ： 21 - 25 .
GRIFFITH D T ， ASHWILL T ， RESOR B . Large offshore rotor development：design and analysis of the Sandia 100-meter wind turbine blade ［C］//53rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures， Structural Dynamics and Materials Conference；20th AIAA/ASME/AHS Adaptive Structures Conference；14th AIAA. Reston ： AIAA ， 2012 ：AIAA2012-1499.
陈小前 ， 赵勇 ， 霍森林 ， 等 . 多尺度结构拓扑优化设计方法综述 ［J］. 航空学报 ， 2023 ， 44 （ 15 ）： 17 - 52 .
CHEN Xiaoqian ， ZHAO Yong ， HUO Senlin ， et al . A review of topology optimization design methods for multi-scale structures ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2023 ， 44 （ 15 ）： 17 - 52 . （In Chinese）
白建涛 . 考虑制造约束的薄壁结构优化设计与应用 ［D］. 长春 ： 吉林大学 ， 2021 ： 8 - 10 .
BAI Jiantao . Optimization design and application of thin-walled structures considering manufacturing constraints ［D］. Changchun ： Jilin University ， 2021 ： 8 - 10 . （In Chinese）
宋增誉 . 矿物质支承件直驱五轴加工中心设计及性能分析 ［D］. 福州 ： 福建工程学院 ， 2023 ： 23 .
SONG Zengyu . Design and performance analysis of direct-drive five-axis machining center for mineral material gantry frame ［D］. Fuzhou ： Fujian University of Technology ， 2023 ： 23 . （In Chinese）
王同光 ， 李慧 ， 陈程 ， 等 . 风力机叶片结构设计 ［M］. 北京 ： 科学出版社 ， 2015 ： 70 - 71 .
WANG Tongguang ， LI Hui ， CHEN Cheng ， et al . Structure design for wind turbine blades ［M］. Beijing ： Science Press ， 2015 ： 70 - 71 . （In Chinese）
LIU S T ， LI Q H ， LIU J H ， et al . A realization method for transforming a topology optimization design into additive manufacturing structures ［J］. Engineering ， 2018 ， 4 （ 2 ）： 277 - 285 .
PRAMOD G ， BOURAOUI I . Theoretical basis of modal analysis ［J］. American Journal of Mechanical Engineering ， 2013 ， 1 （ 7 ）： 173 - 179 .
张立 ， 缪维跑 ， 李春 ， 等 . 基于弯扭耦合的大型风力机复合材料叶片结构特性研究 ［J］. 机械强度 ， 2021 ， 43 （ 6 ）： 1382 - 1392 .
ZHANG Li ， MIAO Weipao ， LI Chun ， et al . Study on the structural characteristics of large wind turbine composite blade based on bend-twist coupling ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2021 ， 43 （ 6 ）： 1382 - 1392 . （In Chinese）
全国风力发电标准化技术委员会 . 风力发电机组 设计要求 ： GB/T 18451.1—2022 ［S］. 北京 ： 中国标准出版社 ， 2022 ： 19 - 25 .
National Wind Power Standardization Technical Committee . Wind energy generation systems—Design requirements ： GB/T 18451.1—2022 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2022 ： 19 - 25 . （In Chinese）
缪维跑 . 台风环境下风力机流固耦合响应及叶片自适应抗风性研究 ［D］. 上海 ： 上海理工大学 ， 2019 ： 50 - 56 .
MIAO Weipao . Study of fluid structure interaction response of wind turbine in typhoon environments and wind resistance of adaptive blade ［D］. Shanghai ： University of Shanghai for Science and Technology ， 2019 ： 50 - 56 . （In Chinese）
全国风力机械标准化技术委员会 . 风力发电机组风轮叶片 ： JB/T 10194—2000 ［S］. 北京 ： 机械工业出版社 ， 2000 ： 12 - 13 .
National Wind Machinery Standardization Technical Committee . Rotor blades of wind turbine ： JB/T 10194—2000 ［S］. Beijing ： China Machine Press ， 2000 ： 12 - 13 . （In Chinese）
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