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超大型（20MW+）漂浮式风机叶片气动-结构耦合优化设计方法

摘要

随着全球对可再生能源需求的持续增长，超大型漂浮式风机（20MW及以上）作为风能利用的新兴领域，展现出巨大的发展潜力。本研究聚焦于超大型漂浮式风机叶片的气动-结构耦合优化设计方法，旨在提升风机的发电效率、结构强度和轻量化水平。通过结合数值模拟与实验验证，本研究提出了一种新型优化设计框架，该框架能够综合考虑叶片的气动性能、结构强度以及轻量化需求。在研究中，高精度数值仿真和多学科耦合优化算法被用于预测复杂风况下的气动载荷和结构响应，从而实现对叶片的精细设计。

研究结果显示，采用所提出的优化设计方法，超大型漂浮式风机叶片的气动性能和结构强度得到了显著提升，同时满足了轻量化要求。在案例分析中，优化后的叶片设计方案在气动效率、结构刚度和颤振稳定性方面均表现出色，且重量得到了有效控制。此外，研究还揭示了响应面模型在优化设计中的重要作用，它提高了优化设计的效率和准确性。这些发现不仅为超大型漂浮式风机叶片的设计提供了科学依据，也为风能领域的技术创新和发展提供了有力支持。基于研究结果，本研究提出了进一步改进叶片颤振稳定性、探索新型复合材料应用的建议，以持续提升风机的整体性能和可靠性。

关键词：超大型漂浮式风机；气动-结构耦合优化设计；数值模拟；实验验证；多学科耦合优化；响应面模型

ABSTRACT

Withthecontinuousgrowthofglobaldemandforrenewableenergy,ultralargefloatingwindturbines(20MWandabove)haveshownenormousdevelopmentpotentialasanemergingfieldforwindenergyutilization.Thisstudyfocusesontheaerodynamicstructuralcouplingoptimizationdesignmethodofultralargefloatingwindturbineblades,aimingtoimprovethepowergenerationefficiency,structuralstrength,andlightweightlevelofthewindturbine.Bycombiningnumericalsimulationandexperimentalverification,thisstudyproposesanoveloptimizationdesignframeworkthatcancomprehensivelyconsidertheaerodynamicperformance,structuralstrength,andlightweightrequirementsofblades.Inresearch,high-precisionnumericalsimulationandmultidisciplinarycoupledoptimizationalgorithmsareusedtopredictaerodynamicloadsandstructuralresponsesundercomplexwindconditions,therebyachievingprecisedesignofblades.

Theresearchresultsshowthattheproposedoptimizationdesignmethodsignificantlyimprovestheaerodynamicperformanceandstructuralstrengthofultralargefloatingwindturbineblades,whilemeetingtherequirementsoflightweightdesign.Inthecaseanalysis,theoptimizedbladedesignschemeshowedexcellentperformanceinaerodynamicefficiency,structuralstiffness,andflutterstability,andtheweightwaseffectivelycontrolled.Inaddition,thestudyalso