隨著風電行業進入平價時代，度電成本降低的最有效手段就是不斷擴大風電機組的單機容量，由此也帶來風電葉片長度的不斷增加。因此，平價時代機組大型化是風電發展的必然趨勢，開發“大型化、輕量化和低成本”葉片是推動機組度電成本降低的最有效手段。
復合材料由于其優異的力學性能和可設計性被廣泛應用于航空航天、汽車和風電葉片，為實現功率更大、長度更長、重量更輕和成本更低，復合材料成為風電葉片唯一可選材料。作為決定葉片結構和成本的增強纖維、夾芯材料、基體樹脂和結構膠，其應用和發展趨勢對葉片行業未來的發展至關重要，特別是高性價比材料的技術進步決定了大葉片未來的發展方向。
碳纖維復合材料（CFRP）與傳統的金屬材料相比，具有重量輕，比剛性·比強度等優異的特性，目前已經在飛機等零部件中得到廣泛應用。近年來，風機大型化帶來的是葉輪直徑的大型化，隨著風電葉片長度增加、葉輪直徑增大，其結構設計要求越來越高，葉片必須滿足剛 度要求以抵抗極端負荷；葉片具有優異耐疲勞特性，在其整個使用壽命期間必須承受 疲勞載荷；葉片必須堅硬，具有一定強度，以防止在極端載荷下與塔架碰撞；局部剛 度也必須足以防止極端載荷；葉片結構應盡可能輕，以最大程度地降低發電成本。
在全玻纖情況下，隨著葉片長度增加，自重載荷占比線性上升，可用于發電的載荷相 應下降。因此在大功率風機應用場景中，碳纖維替代具備的了必要性。
根據風力發電設施的故障即事故的調查報告，在日本由于落雷造成的損失最多，占全體的25.8%。另外，與風車的總停止時間相比，葉片的故障最長，為了提高風車的利用率，因此，在以前的研究中，給試體設定了額定風速12.5m/s（額定輸出功率10kW）、切出風速25m/s、額定轉速200rpm，使用CFRP夾層葉片（以下稱為CFRP制葉片）對最大轉速為1000pm的小型風車進行了模擬雷擊實驗、脈沖激振試驗和彎曲試驗，結果表明，即使受到較大的60kA的雷擊，對振動特性和力學特性也幾乎沒有影響。此外，進行了FEM分析，得到了與各試驗結果良好的一致性，顯示了分析模型的合理性。
在本項研究中，我們使用響應曲面方法和遺傳算法的優化方法，在最大轉速為1000pm的離心力和風壓的規定載荷下，進行了使CFRP制葉片重量最小化的最佳結構設計。
2.1樣品
實驗中使用的CFRP制葉片如圖1所示，采用平紋CF布（東邦Tenax®）和環氧樹脂，芯材使用聚氨酯，采用VaRTM成形的翼長2168mm、最大翼弦長483mm、葉片中央翼厚45mm的三明治結構。CFRP層的纖維體積含有率為60%，表面層的層疊結構因位置而異，
①的位置：[3K((±45）/(0/90)/(0/90)/12K((±45)/(0/90)/(0/90)/( ±45) )]，
②的位置：[3K((±45）/(0/90)/(0/90)/12K((±45)]，
③的位置：[3K((±45）/(0/90)/(0/90))]。
圖1 CFRP夾層風力渦輪機葉片
2.2 優化問題的公式化
CFRP制葉片的重量最小化問題如式（1）所示進行了公式化。在本研究中，[3K((090）/（±45）/（±45）/（0/90）) ]的偽各向同性層疊為1組（0mm），從葉片的前端部到根部的5處CFRP的板厚分別為x1~x5（如圖2所示）。另外，CFRP制葉片的安全率與實驗中使用的CFRP制葉片相同，容許應力為243MPa。
2.3 有限元(FEM)分析
使用通用有限元法程序ANSYS Ver15.0進行有限元分析。負荷參考JISC1400-2的負荷槽E，以本次CFRP制葉片的最大轉速的設計值1000pm旋轉時的離心力施加負荷。并且，參考風壓分布圖，在CFRP制葉片的一側表面加載風速為50m/s的分布載荷。
使用8節點結構實體（SOLID185）作為元素，固定條件是完全約束了CFRP葉片安裝部的節點。節點數為23848，元素數為20781。
如表1所示用于分析的CFRP的材料常數，x軸和y軸表示面內方向，z軸顯示面外方向，E表示楊氏模量，G表示剪切模量，v表示泊松比，F表示拉伸強度。另外，聚氨酯芯的材料常數使用目錄值，楊氏模量E為0.025GPa，泊松比為0.25。CFRP的破損法則使用最大應力理論。
表1 CFRP的材料特性
2.4 響應曲面法
響應曲面法（Response Surface Method，RSM）是用于求對輸入的響應的近似函數的方法，其各項系數由最小二乘法決定。對于設計變量（1~5）的輸入，本問題的響應為CFRP的重量和產生應力。
計算點為隨機選擇的1500點，近似函數以一般使用的2次多項式為基礎。為了提高近似精度，將CFRP制葉片分成4部分（Area A~D），在各個領域制作了5個變量2次多項式的近似函數。響應曲面法產生的應力、CFRP重量的近似值和FEM分析結果的誤差如表2所示，兩者的誤差均低于8.4%。
表2 RSM和FEM結果之間的誤差
2.5 遺傳算法
遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）是通過對生物進化的機理進行工程建模來進行有效的最佳解的探索的方法。在本研究中，將群體的大小設為30，交叉率設為60%，突變概率設為7%。
2.6 最優結果
CFRP相對于世代數的重量變化如圖3所示。隨著世代數的增加，重量減少，44代以后為一定值。CFRP制葉片的重量和x1~x5的最優化結果圖表3所示。最優化設計前的CFRP制葉片的重量為32.2N，而最佳值解為26.5N，削減了17.7%的重量。此外，有限元分析(FEM)的最大應力為196MPa，結果滿足式（1）的制約條件。
表3 優化結果
圖3 重量和世代數之間的關系
使用響應曲面法和遺傳算法進行CFRP制葉片的重量最小化的結果，與實驗中使用的CFRP制葉片的CFRP相比，可以減少17.7%的重量。
