供同样力学性能所需材料的经济效益（性价比，生产能耗比等）更高；但是在进一步进行形状设计之前，需要明确该结构设计上的重大变化对形状设计产生的影响——这个分析过程是结构优先的设计方法与传统方法的主要不同点所在。
首先，同样截面积的竹材的力学性能（拉伸模量，压缩模量等）不如碳纤维。为了满足相同的力学设计要求，竹质叶片的壁厚要比碳纤维叶片的厚，但是壁厚作为结构设计的参数不能用叶片形状的参数表达，所以在形状设计时可以暂时不必考虑，而将该重要的约束条件留在结构设计中进行。
其次，竹层积材的加工工艺中为了使较长的竹材在力学性能上有更大的优势，要求叶型在沿叶片长度的方向要避免突变，否则，将不得不采用更多更短然而性能将更差的竹材来拟合叶片的曲面。由此结构设计对形状设计给出的约束可以用叶型参数来描述为“曲率的均方小于给定值”，即：
， （2）
其中，L表示叶片长度，y(r)表示弦长(Chord)随长度的变化，k(r)为曲率公式，表示弦的曲率；为方便讨论，将以上指标简记为<0。
然后，我们根据针对竹质叶片的特点的结构分析的结果给出更多的指标集<0，其中k=1..n。
3.3 形状设计
通过以上结构分析，我们已经提出了一系列指标集作为结构分析的结果，作为形状设计过程的约束，该约束即为“结构优良叶型”的数学表达。这时形状设计问题即为：
（3）
通过数学工具，解决以上优化问题，得到在此条件下的最优的叶型设计。
3.4 结构设计和结果调整
在完成以上形状设计的前提下，结构设计的步骤与传统的结构设计几乎是一样的。由于结构设计要考虑的一些设计难点已经在形状设计优化的过程中有所体现，因而减轻甚至避免
了结构设计的瓶颈问题。
4 结构优良叶型
结构优先的设计方法的关键在于“结构优良叶型”的提出。在以往的工程实践中，针对结构设计而提出的叶型特征作为工程经验在多处出现，尽管没有以“结构优良叶型”的提法提出。如：
“对于有叶尖刹车装置的叶片设计来说，NREL厚叶片系列可以提供足够的刚性”[6] “对于失速控制风机来说，叶根处的大扭角有利于风机设计”[7]
需要强调的是，在结构优先的设计方法中，“结构优良叶型”具有以下标志性的特点： ? 在叶片形状设计工作之前提出； ? 由结构工程师提出，为叶型设计服务；
? 特征都是与叶型相关的，并且用叶型相关的参数（包括Airfoil Family，Chord，Thickness，Twist）进行描述；
? 提取原则是从那些将给予结构设计约束以最大的贡献，或者最容易在传统的叶片设计过程中成为结构设计瓶颈的条件之中选取。
? 该“结构优良叶型”是结构设计的经验的载体，因而使用时需要明确该经验发生作用的前提条件。
5 更进一步：约束表达式化为目标函数
结构优先的设计方法的目标是，既要发挥单独进行结构设计和形状设计带来的计算简化的优势，同时又要获得接近全局寻优的设计方法的全局最优的优化结果。下面我们运用运筹学的分析手段对优化过程进行分析：
传统的叶片设计方法中叶片形状设计部分是以叶型为变量，以获得AEP的最大值为目标的，设计的目标的数学表达式为：
（4）
其结构设计的过程则是在上式优化所得的最优的叶片形状参数的基础上，以结构为变量，获得结构设计部分的优化目标。虽然叶片形状获得了最优的结果，但结构并不是最优的，甚至有时候连局部最优的结构都无法找到，因而导致较差的结构和昂贵的材料。
而对于结构优先的设计方法，我们分析结构设计中会影响到叶片形状设计的那些因素，并将他们提取出来，我们可以把这些因素抽象归纳为以下约束的集合：
（5）
将这些因素考虑进叶片形状设计过程中，则叶片形状设计问题为：
（6）
通过引入运筹学的罚函数[8]的方法，将以上约束变换为目标函数，则为：
（7） （8）
其中为罚函数，为罚函数的线性系数，取值的大小根据约束集的强度而定，如果该约束为影响叶片生存的约束，则可以取较大的正数，以保证该约束不被破坏；如果该约束是折衷类的约束，则的大小可以需要根据该约束对优化效果的影响而定。
由（7）式可以看出，当我们确定了约束集，并设定了罚函数后，加入结构考虑的叶片形状设计相比于传统的叶片形状设计来说问题的形式几乎没有变化。然而当我们按照这个方法完成了叶片形状设计后，结构设计将变得轻松，因为耦合叶型部分的结构设计约束都已加入，结构设计的难度已经被大大的降低了。同时，由于考虑两者的耦合，所得到的最终结果也将大大优于原有方法。
6 演化的算法实现
由以上分析可以看出：罚函数系数的取值和约束集的选取是本设计过程最关键的问题所在。当罚函数系数为0时，则本算法退化为传统设计过程；当约束集取最大，罚函数系数取值和结构约束的形式接近COE函数的描述能力时，即结构设计可以在形状设计前给出所有为了方便结构设计而需要的形状设计的要求时，获得的结果与全局寻优的设计方法一致，是
设计的全局最优；而在这两者之间的过渡值、大小一定的罚函数系数、主要的约束集，则恰恰是寻找计算量与优化效果平衡点的关键。
在系统实现方面，结构优先的设计方法可以作为由传统设计过程向全局寻优的设计方法的过渡算法。由于此设计过程与传统设计过程非常类似，可以通过对现有的软件系统进行修改得以实现。此方法相对于传统方法最大的改变是在叶片形状设计之前提供了一些对系统的约束，并将有约束的优化问题转化为无约束的有罚函数的优化目标函数的优化问题，所以如果想要在叶片设计软件中实现此方法，只需要改变传统的叶片形状设计的目标函数，而无需改变叶片形状设计的内部运算过程。
将全局寻优的设计方法采用模拟退火算法进行全局的寻优，并将以上罚函数系数作为模拟退火的温度函数；或者将全局寻优的设计方法采用禁忌搜索算法，将以上约束集作为禁忌搜索的初设条件等等类似的思路都为结构优先的设计方法在计算能力获得提高之后向真正意义的全局寻优的设计方法过渡提供了可行的方案。本文对此不再做过多讨论。
7 结论
结构优先的设计方法与原有的设计方法在计算量和优化效果比较如下：
传统的 设计方法
结构优先的 设计方法
全局寻优的 设计方法 折衷的
设计方法 计算量
全局最优的设计结果 优化效果
图1本文所述的几种设计过程的优化效果与计算量的比较示意
结构优先的设计方法的主要优点是：
1) 避免了传统的叶片设计过程在叶片的设计前期较早的误入一个远离全局最优的局部的缺点；
2) 避免了同时进行叶片形状设计和叶片结构设计的计算的复杂度；
3) 通过明确“结构优良叶型”的概念，使形状设计人员能够在不陷入结构力学知识细节的前提下，明确结构设计人员的设计要求，明确的分工和交流方式使该方法在工程实践中具有更好的可操作性；
4) “结构优良叶型”的规则，作为设计经验传承的载体，有利于设计团队的建设和经验积累；
5) 可以通过叶片形状设计的目标函数的变化，在现有的叶片设计软件基础上做简单改进即可实现；
6) 通过修改叶片形状设计的目标函数，可以灵活的为不同设计提供支持； 存在的问题是：
风机叶片的结构优先设计方法
