风力发电机组叶片是将风能转换成机械能的核心部件,其设计理论和制造技术是风力发电机组研发的关键。随着机组单机容量的不断增加,叶片越来越长,使得制造和长途运输的难度和成本也不断增大,制约了风力发电机组的大型化发展。为此,采用组合式叶片,分段制造,分段运输,现场组装的方案可以有效的解决制造和运输的难题。在国家科技支撑“5.0MW双馈式变速恒频近海风电机组整机设计、集成及示范”(2009BAA22B02)项目的资助下,围绕组合式叶片气动设计和结构设计的方法、理论及其关键技术的研究,主要开展了如下工作：(1)研究了叶片气动设计的基本理论和方法。基于动量叶素理论,建立了叶片的数学模型,利用改进的自适应遗传算法优化设计了5MW风力发电机组叶片,计算了叶片展向各截面的弦长和扭角数据,并分析了叶片的气动性能。结果表明,采用自适应遗传算法能够得到较理想的气动参数。(2)在整个寿命周期中,叶片时刻都受到包括气动力、重力、惯性力、运行控制产生的附加力等多种力的耦合作用。论文基于风特性的分析,给出了极端风速下的湍流风模型,根据IEC61400标准,利用GH Bladed软件计算了叶片多种极限运行工况,给出了叶片极限载荷的选取原则,确定了5MW叶片的极限载荷。(3)主梁是叶片的主要承载部件,是叶片结构设计的重点和难点。研究了传统叶片主梁的结构类型,采用了单梁帽双腹板的主梁结构形式。基于材料力学理论,建立了以重量和惯性矩为设计目标的数学模型,采用多目标遗传算法进行了优化计算,并通过算例验证了方法的合理性和可行性。(4)根据复合材料层合板理论和梁理论,以强度和刚度为约束条件,研究了大型叶片结构铺层设计的理论方法,并在叶片的蒙皮、梁帽、以及腹板等部位采用了碳纤维／玻璃钢混合铺层,利用有限元法对叶片各部位的强度进行了校核计算,结果表明碳纤维／玻璃钢混合铺层能明显提高叶片的强度,并对叶片振动特性和稳定性进行了分析。(5)根据叶片的结构特点载荷分布特征,确定了组合叶片的分段位置。按照可拆卸、易安装的原则,设计了组合式叶片的梁帽、腹板、蒙皮等各部位连接接头的结构形式和尺寸。根据材料力学理论计算了各连接部位螺栓的直径,确定了连接头的铺层方案,并对连接部位的铺层厚度和对接头结构进行了有限元分析,校验了各部件的强度,结果表明,满足设计强度求,铺层设计方法可行。(6)通过组合叶片和整体叶片的对比分析,总结叶片分段位置处复合材料多钉连接的承载分配规律,叶片梁帽、腹板、蒙皮等关键部位的应力、应变、位移、振动特性、稳定性等变化规律,分析了极限载荷在连接头截面位置的应力特征,以及结构变化对叶片整体性能的影响。