雙碳目標下，我國正逐步構建起以新能源為主體的新型電力系統。風電是其中關鍵一環，發揮著愈加重要的作用。隨著風電機組的高度變高，以節省成本為目的進行結構輕量化設計是當前風電發展的必然方向。其中海工基礎與風電機組由于設計分工不同，國內一直沿用傳統的分離式設計，在塔架底部進行數據交互與迭代設計，導致投資占比增高，設計方法冗余度大，建設階段成本浪費。如何解決分離式設計的弊端，開發更高效的一體化輕量化設計方法是破局痛點的關鍵所在。

針對鋼制塔筒結構，開展失效型式分析，考察不同參數對鋼筒性能的影響；針對海上風電機組基礎結構成本高、材料浪費嚴重的問題，以NREL 5MW海上風電機組的三腳架和導管架基礎結構為例開展拓撲優化輕量化設計研究，最終實現結構輕量化設計，得到性能更優，質量更輕的海上風電機組基礎結構。

針對鋼制塔筒結構，開展了各類失效型式分析，并考察了設計參數對結果的影響，形成一套鋼制塔筒輕量化設計方法。

以5MW海上風電機組模型作為參考模型，將拓撲優化方法引入海上風電機組三腳架和導管架支撐結構的輕量化設計，并進行模態分析、剛強度計算，得到一套在概念設計階段、考慮結構－載荷耦合效應下海上風電機組三腳架和多導管架的拓撲優化設計及仿真流程。

在目前陸上、海上風電機組大型化的趨勢下，結構的安全設計、輕量化設計將會成為制約行業發展的一個重要難題，而將拓撲優化及有限元仿真引入風電機組結構設計中可有效解決此類問題。

航天萬源2MW直驅風電機組塔筒，減重10tons；

5MW海上風電機組三腳架支撐結構，減重276.54tons;

NREL 5MW海上風電機組導管架支撐結構，最大位移減少14.89%、最大等效應力減小26.66%。

獲獎情況

張承婉、楊曉宇、陳卓；指導教師：龍凱，一帶一路暨金磚國家技能發展與創新技術大賽－工程仿真創新設計賽項（研究生組），團體優秀獎

張承婉；指導教師：龍凱，第三屆中國工業互聯網大賽二等獎

丁文杰，本科生，2020年畢業，論文題目“塔筒法蘭螺栓疲勞失效機理和法蘭輕量化設計”，校級優秀論文

丁文杰、李澤陽、季元、張承婉；指導老師：廖海濤、龍凱，兆瓦級海上風力發電機組三腳架基礎結構設計與強度校核分析APP，第三屆中國工業互聯網大賽，工業互聯網+數字仿真專業賽二等獎

張承婉、陸飛宇、張錦華；指導老師：龍凱，中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽北京賽區一等獎

張錦華，指導老師：龍凱，海上風電機組多導管架的拓撲優化方法研究.2020年北京市普通高校優秀本科畢業設計（論文）