隨著大型3c風(fēng)機葉片的發(fā)展，目前的葉片通過使用輕質(zhì)高強復(fù)合材料，如碳纖維增強復(fù)合材料或碳納米管增強復(fù)合材料來達到減輕重量的目的。 由于碳纖維和碳納米管的成本較高，3c風(fēng)機葉片的成本也相應(yīng)增加。 如何在保證其力學(xué)性能的前提下同時實現(xiàn)大型化、輕量化和低成本是該領(lǐng)域當(dāng)前的研究熱點。 拓撲優(yōu)化可以在給定材料成分和用量的條件下，通過改變結(jié)構(gòu)的材料布局來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的理想力學(xué)性能。 因此，通過3c風(fēng)機葉片復(fù)合材料的拓撲優(yōu)化設(shè)計，可以實現(xiàn)低成本輕量化設(shè)計。 同時，工程實踐中的3c風(fēng)機葉片復(fù)合材料為三維結(jié)構(gòu)，因此三維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化更符合工程實際，具有應(yīng)用價值。
以復(fù)合材料三維等效彈性矩陣的主對角線分量加權(quán)組合為優(yōu)化目標(biāo)，以固體材料總體積分數(shù)為約束條件，建立三維拓撲優(yōu)化模型。 采用優(yōu)化準則法結(jié)合靈敏度濾波技術(shù)對該問題進行求解，得到了不同優(yōu)化目標(biāo)下的微觀結(jié)構(gòu)。 數(shù)值算例表明，微結(jié)構(gòu)構(gòu)型符合拓撲優(yōu)化材料分布規(guī)律，優(yōu)化過程平穩(wěn)，迭代次數(shù)少并且收斂速度快，優(yōu)化目標(biāo)不存在上下起伏的情況。優(yōu)化結(jié)果可為3c風(fēng)機葉片符合材料微機構(gòu)設(shè)計提供一定的參考。
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