随着风力发电市场的竞争日趋激烈,为了提高风电的经济效应,风力发电机的规模逐渐扩大,且风电塔的高度不断增加,此时高风电塔受到的风荷载更强也更稳定,相应的风电系统效率随之提高。为降低风电塔的成本,高风电塔需要设计成柔性的,但是,高柔风电塔给风电塔的强度疲劳和稳定性设计带来新的挑战。风电塔的一个突出问题是在紧急停机工况时,停机后结构往往会发生激烈的振动,这就是结构的残余振动。高柔风电塔的柔度很大,其残余振动会持续很长时间,严重影响风电塔的安全运行。为了在降低风电塔建造成本的同时确保风电塔的安全运行,本工作研究基于频率控制、考虑残余振动约束的多约束单管型风电塔的优化。忽略塔内平台和辅助结构,塔架简化成悬臂梁结构,描述截面的参数作为设计变量,上下限基于制造和物流的考虑。将材料体积最小化作为目标函数,塔架的固有频率约束根据柔性塔设计要求确定。将停机激励下的残余振动作为约束,通过取一系列不同的约束值来研究不同幅度的残余振动降低对风电塔优化设计的影响。采用了一个二次型积分形式的指标来衡量残余振动大小。运用李雅普诺夫方法,实现这一指标及其灵敏度的计算。通过这些措施,求解过程得到极大简化,从而克服了耗时过长的瞬态结构分析。另外,为了使优化结果更符合实际设计,借助计算整机荷载的专业软件Bladed得到停机工况下的风荷载,进而计算塔顶位移。用塔顶位移来替代衡量残余振动的二次型积分形式作为约束,比较两者的优化结果,对高柔性风电塔的减振设计提供更多的指导。在优化过程中,需要求解约束对设计变量的灵敏度。其中残余振动灵敏度采用伴随法获得,该方法只需计算李雅普诺夫方程便可获得所有灵敏度数值。塔顶位移灵敏度采用解析的方法获得,因为塔顶位移可通过莫尔积分得到具体的解析表达式。采用移动渐近线法(MMA)求解优化问题,来迭代得到设计变量的增量。结果表明,残余振动约束和塔顶位移约束虽然对优化结果具有接近相同的影响,都是在增强风电塔的刚度,但最优结构具有不同的形式,其形式与瑞利阻尼系数的选取有关。本文还对阻尼器的分布进行拓扑优化,讨论了设置阻尼器对降低设计荷载的作用,希望对高柔风电塔的设计研究有参考价值。