风能作为一种蕴藏丰富的清洁可再生能源,近年来发展迅猛。叶片是风电机组吸收能量的关键部件,具有结构扁平、轻质、柔性迎风的叶片在随机变载荷的风力作用以及强阵风的瞬时冲击下工作,叶片断裂故障率高达40%,直接造成巨大的经济损失。在不改变叶片气动性能的前提下,结构优化已成为增强叶片承载能力的重要举措。本研究在国家自然科学基金项目“河西地区风况下风力机叶片的刚柔耦合颤振动力学问题研究(No.51565028)”和“西北典型风资源环境下变刚度风力机叶片结构性能退化机理研究(No.51965034)”的支持下,以1.5MW复合材料叶片为研究对象,针对叶片在复杂交变载荷作用下强度不足易断裂失效的问题,展开复合材料叶片结构优化研究,具体研究方法及结论如下:(1)针对静强度载荷作用下风力机叶片尾缘易发生局部屈曲失效问题,采用自适应单目标优化算法,将叶片气动中心与翼型曲线耦合约束,以叶尖挠度为优化目标,对叶片尾缘结构进行优化设计。分析尾缘屈曲变形规律,并与某企业提供的叶片静强度试验数据进行对比,结果表明:优化后叶片模型在屈服强度、叶尖挠度和应变等方面的误差较传统壳体模型分别降低了18%、15.7%和10.6%,研究结果为叶片结构优化提供了精度满足要求的有限元模型。(2)针对风力机叶片叶根、主梁及前后缘铺层厚度对叶片挥舞与摆振刚度的影响,计及叶片不同区域复杂铺层结构,依据模态灵敏度合理选择各区域铺层厚度作为设计变量,以叶片质量作为约束条件,叶片一阶挥舞、摆振模态频率作为其结构优化目标,构建叶片结构优化数学模型,进而探究叶片不同部位铺层厚度与叶片固有频率间的定量关系,揭示叶片结构影响其动态性能的变化规律。结果表明,所提出的叶片模态灵敏度及结构优化设计方法,使得叶片一阶挥舞、摆振模态频率分别提高了12%、10.4%。(3)基于Kriging模型,提出了稳健性优化方法,该方法具有改善叶片动态性能的同时提高叶片动态性能稳健性的优点,并以叶片为研究对象提出、执行了两个优化算例。算例1采用常规优化方法,未考虑叶片铺层参数波动,结果表明常规优化方法将叶片一阶固有频率提高了19%,然而6σ稳健性分析显示,经常规优化后叶片的6σ稳健性水平较初始叶片降低了61%。可见常规优化方法虽然能较为显著地改善叶片固有动态性能,但难以同时提高叶片动态性能的稳健性。算例2采用的稳健性优化方法,将频率响应的均值与方差也作为优化目标,结果表明稳健性优化方法将叶片一阶固有频率提高了15.4%,同时将叶片固有动态性能的6σ稳健性水平相比初始叶片提高了90%。总之,在叶片固有频率的提高程度方面,虽然稳健性优化方法稍逊于常规优化方法,但稳健性优化方法能显著改善叶片固有动态性能的稳健性。因此,所提出的叶片结构稳健性优化方法具有更佳的优化效果。