由于能源危机与环境污染问题日益凸显,可再生能源领域尤其是风电产业发展迅猛。随着风电技术的不断进步,装机容量持续增长,风轮半径不断增加,叶片结构外形日趋复杂。为了更好地获取风能资源,叶片必须具备优良的气动特性,而工作环境的复杂恶劣,则需要叶片满足相应的结构要求。虽然目前我国风电产业处于快速发展阶段,然而核心的设计制造技术仍未掌握,因此本文针对风机叶片的气动与结构问题进行了研究,主要做了以下工作:1.风机叶片气动外形设计。对风机叶片相关的空气动力学理论进行研究,分别采用Betz、Schmitz、Glauert以及Wilson四种模型进行了1.5MW风机叶片的气动外形设计。结合设计结果对四种模型进行分析比较,选择其中的最优模型作为后续的研究基础。2.风机叶片几何外形修正与气动性能分析。由于叶片气动设计理论只考虑了如何最大限度地获取风能,忽略了结构性能与可加工性,因此在限制最大弦长的条件下,采用三次多项式拟合的方法进行叶片几何外形修正。采用风电权威软件GH Bladed建立了风机整机模型,求解出风机在各风速下的电功率输出,从而检验其气动性能。3.风机叶片建模与结构性能分析。基于坐标变换理论,将翼型的初始二维坐标变换成相应的三维空间坐标,采用ANSYS软件建立了叶片的有限元模型。对运行过程中叶片上作用的复杂载荷情况进行了分析,并利用GH Bladed软件进行了载荷求解。通过各风速下的振频特性研究,分析了转速对叶片的频率与振型的影响,检验了叶片在正常运行过程中是否发生共振现象;通过各风速下的强度与刚度性能研究,找出了叶片稳定运行下的危险工况,得到了运行过程中的应力极值与最大变形;对危险工况下的叶片稳定性进行了研究,对可能发生失稳的部位进行了预判。4.风机叶片结构优化与疲劳寿命计算。在约束强度与叶尖变形的条件下,选取三种铺层材料的厚度作为设计变量,以叶片质量最小作为目标函数,采用有限元结合优化算法对风机叶片进行结构优化,成功降低了叶片重量。考虑到叶片在实际运行工程中往往承受交变载荷的作用从而可能会产生疲劳失效,因此选用合适的S-N曲线以及Miner累积损伤理论,对优化设计后的玻璃钢叶片进行疲劳寿命计算,验证了优化设计方案的可行性。