国家对清洁、可再生风资源的投资,带动了风力发电行业的快速发展。小型H型垂直轴风力机具有结构简单、易维修、噪音小等优点,但其风能利用率偏低,且叶片结构和流场间的耦合作用使叶片的变形加剧,导致结构性能下降严重。通过优化翼型的气动外形和叶片的结构,可以改善风力机的性能。因此,针对H型垂直轴风力机叶片进行计及弯度效应的尾缘改型气动性能分析,以及流固耦合工况下结构几何参数和复合材料铺层的优化设计,对于提高风能利用率并获得最大经济效益均具有重要的实际应用价值。本文主要研究内容及成果如下:(1)应用气动设计理论,设计100 W H型垂直轴风力机风轮的几何尺寸;进行NACA0021翼型的钝尾缘优化和尖尾缘改型,分析风力机风能利用率随尾缘厚度的变化规律;利用翼型中弧线位于风轮圆周上的方式增加翼型的相对弯度,分析相对弯度对压力、涡量分布、扭矩系数和风能利用率的影响。结果表明:增加相对弯度后,翼型的正、负压力区域面积均减小,尾迹长度和分布也减小,但扭矩系数和风能利用率却明显提高。(2)分别应用解析法和有限元法求解构件弯曲变形的应力分量与强度比,并比较分析计算结果;利用APDL语言建立有弯度尖尾缘翼型叶片的参数化模型,采用FLUENT软件计算其表面实时压力分布,并基于FSI映射方法获得气动力;以叶片的质量最小同时层合板强度比最大为设计目标,进行重力、离心力、气动力作用下叶片结构的多目标优化。结果表明:不同方位角下单叶片以及风轮优化后,叶片的质量、最大应力、最大位移均减小,应力集中现象减弱,强度比增大。(3)基于ANSYS Workbench平台,构建风轮的几何模型、计算域和网格,设置湍流模型、边界条件和复合材料铺层,耦合求解流体域和固体域。以风轮的质量最小为设计目标,玻璃布、胶衣布、泡沫的厚度和腹板的位置为设计变量,采用响应曲面优化方法进行流固耦合工况下叶片结构的单目标优化。研究优化前后叶片在有、无预应力下的频率和振型,以及风轮在不同风速下的位移、应力和应变。结果表明:叶片结构优化后,静止、单预应力、多预应力时的一阶频率和一阶临界转速均变大而其余各阶频率减小,且一阶临界转速大于五倍的风轮额定转速的20%,叶片不会发生共振;风轮最大的位移、应力和应变在额定和极限风速下均减小,结构性能得到提高。