基于仿生學(xué)的風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析

摘要：鑒于風(fēng)力機(jī)葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)與植物葉片存在一定的相似性，基于仿生學(xué)方法將植物葉片中軸形態(tài)應(yīng)用于5 MW風(fēng)力機(jī)葉片，提出一種新型仿生葉脈結(jié)構(gòu)分布，并提出完整的復(fù)合材料葉片鋪層方案。通過流固耦合方法對(duì)新型仿生葉脈葉片進(jìn)行模態(tài)分析與靜力學(xué)分析。結(jié)果表明，仿生葉片前6階固有頻率相較于傳統(tǒng)鋪層葉片均有所提高且不易發(fā)生共振，其抗扭轉(zhuǎn)特性也有所提高；在50 m/s的極端風(fēng)載荷作用下，仿生葉片葉尖位移量明顯小于傳統(tǒng)葉片，應(yīng)變分布與切應(yīng)力分布較傳統(tǒng)葉片分布更加均勻，但切應(yīng)力最大值有所增加。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)葉片；復(fù)合材料；葉脈；仿生學(xué)；鋪層設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TK83 DOI：10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 014

0 引言

中國地域幅員遼闊，風(fēng)能因其豐富儲(chǔ)量已成為可再生能源的重要組成部分。預(yù)計(jì)至2060年，我國發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)80億千瓦，其中風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到25億千瓦，占全國裝機(jī)總量的31. 2%［1］。因此，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已成為我國建設(shè)高效能源體系、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要手段之一［2］。

水平軸風(fēng)力機(jī)是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電的主流設(shè)備，主要由葉片、輪轂、塔架、發(fā)電機(jī)和機(jī)艙等部件組成［3］。葉片是風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的主要部件，又是主要承載部件，其結(jié)構(gòu)性能將直接影響風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率與運(yùn)行安全。由于葉片結(jié)構(gòu)特征為長展向、短弦向和薄壁面，且長期受氣動(dòng)力、自身重力及離心力等復(fù)雜載荷作用，所以葉片設(shè)計(jì)不僅需考慮氣動(dòng)效率，還需滿足強(qiáng)度、剛度等結(jié)構(gòu)要求以減小葉片形變及振動(dòng)［4］。

復(fù)合材料因具有比強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕及良好的可設(shè)計(jì)性等優(yōu)勢(shì)而被廣泛用于制造現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片［5］。經(jīng)過多年發(fā)展，復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)形式已形成較為系統(tǒng)的體系，典型截面結(jié)構(gòu)包括主梁、腹板、前緣及尾緣鑲板和夾層板等。這些結(jié)構(gòu)通常需經(jīng)過鋪層設(shè)計(jì)優(yōu)化鋪設(shè)角度、材料厚度、相對(duì)位置和鋪設(shè)順序等，從而獲得高結(jié)構(gòu)性能的風(fēng)力機(jī)葉片［6］。為此，國內(nèi)外學(xué)者展開了諸多結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化研究。例如，ALBANESI等［7］應(yīng)用遺傳算法獲得葉片外表面最優(yōu)布局，并對(duì)剪切腹板進(jìn)行開孔設(shè)計(jì)，從而減少葉片質(zhì)量，同時(shí)增加了極端載荷下塔架間隙安全裕度。BELFKIRA 等［8］通過混合技術(shù)將洋麻纖維與碳纖維、玻璃纖維混合應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)葉片鋪層，最終使葉片質(zhì)量減少40%，材料成本節(jié)約67%，葉尖變形比最大允許值減小約17%。張孟潔［9］應(yīng)用粒子群優(yōu)化算法，以最小強(qiáng)度比為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)葉片進(jìn)行多截面鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后葉片的各種結(jié)構(gòu)性能均有所提高。

除通過優(yōu)化方法改進(jìn)葉片鋪層方案的方法外，還有一些學(xué)者借鑒仿生學(xué)嘗試構(gòu)建新型風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)。劉旺玉等［10］基于植物葉脈中軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，提出了一種葉片鋪層角度排列方式，可減小葉片在高風(fēng)速下的內(nèi)部載荷。張立等［11］借鑒葉脈分布規(guī)律建立了一種仿生腹板模型，結(jié)果表明，仿生腹板的柔性增加，使其具有優(yōu)越的抗共振性能，并且可以節(jié)省近一半的材料。王淵博等［12］基于仿生學(xué)方法模仿動(dòng)物骨骼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片內(nèi)部骨架構(gòu)型，同時(shí)采用分形學(xué)理論對(duì)其表面進(jìn)行減材處理，與原始葉片相比，可有效防止變槳故障葉片出現(xiàn)斷裂損毀情況。

盡管已有學(xué)者對(duì)仿生葉片開展了研究，但尚未將仿生概念應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)葉片鋪層設(shè)計(jì)方案。因此，本文受植物葉片葉脈結(jié)構(gòu)啟發(fā)，在仿生葉片研究基礎(chǔ)上提出一種新型5 MW風(fēng)力機(jī)葉片的仿生鋪層結(jié)構(gòu)，通過將傳統(tǒng)直線型主梁腹板重構(gòu)為模仿葉脈的中軸支脈形態(tài)以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，利用流固耦合方法分析仿生葉片結(jié)構(gòu)性能并與傳統(tǒng)葉片鋪層方案進(jìn)行對(duì)比，從而為風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)提供新的設(shè)計(jì)思路。