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风力机柔性叶片的仿生设计与性能

花匠小妙招
2025-04-30 06:30

第卷第期机械设计..
年月
风力机柔性叶片的仿生设计与性能
刘旺玉,张鑫,刘希凤,龚佳兴
华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州
摘要:基于植物叶脉中轴对称结构的增强机理,提出了一种仿中轴图式拓扑结构的风力机柔性叶片设计方法,以
风力机叶片为研究对象,采用实验测定和数值模拟的手段,从叶片失速特性和风能利用效率的角度对仿生设计叶片
的柔性进行了研究。结果表明,仿生物中轴设计的叶片在极端风速下具有较低的内部载荷,桨叶失速状态下的柔性较
强,能够明显拓宽风力机的正常运行风速范围,提高风能的利用效率。
关键词:柔性叶片;仿生设计;自适应性;弯扭耦合
中图分类号: 文献标识码: 文章编号:———
随着风机的大型化和海上化,需要频繁承受暴风、
台风等恶劣的工况,叶片的优化设计变得更加重要,如叶片的仿生设计
何提高叶片的柔性,最大限度拓宽风力机的运行风速范
围,提高风能利用效率,成为未来风力机叶片设计发展. 中轴的定义
趋势,很多学者对此进行了研究,⋯等国内中轴概念是由于年提
外学者从传统叶片的设计角度对柔性叶片进行了设计, 出,它主要用于描述生物体的形状特征,并定义为在
并对柔胜叶片的功率和气动陛能进行了研究,获得了柔区域内部相接于边界至少两点的最大圆的圆心的轨
性叶片的功率曲线,.结合弯扭耦合对迹,如图所示。中轴图式是生物组织的一个普遍而
叶片内部力学性能的影响从铺层角度方面对叶片进行显著的特征,从宏观上看,如随处可见的叶脉组织;从
了研究,但柔性叶片的设计仍缺乏系统的理论指导。细观上看,如骨骼内部的分级式网络组织;从微观上
近代仿生学的兴起,为许多工程问题的研究拓宽看,如细胞骨架等等。典型的具有中轴分布特征的生
了思路和方法。风力机桨叶与植物叶片在结构与工作物体——植物叶片,其对称的叶脉组织和叶片的上皮
环境方面具有相似性。长期的自然演化过程中,植物组织叶肉构成了天然的复合结构。
叶片的叶脉生长成为具有良好综合机械性能的中轴分
布结构,这种结构能否成为柔性叶片的仿生设计对
象值得研究。文中提出一种基于植物叶脉中轴的图式
拓扑结构的风力机叶片的设计思路,对叶片蒙皮的铺
层设计进行了研究,探讨了仿生设计风电叶片的性能, 图中轴的定义
分析了额定风速以上叶片翼型截面的弯扭耦合效应及. 叶脉中轴结构的柔性增强机理
叶片的内部载荷和变形位移的相对值,并对仿生设计植物叶片在长期的进化中,需要承受风雨等自然
柔性叶片的性能做出了讨论和评价。
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收稿日期:——:修订日期:一一
基金项目:国家自然科学基金资助项目;广东省自然科学基金资助项目
作者简介:刘旺玉一,女,湖北黄冈人,副教授,博士,研究方向:现代加工技术及其质量控制。
机械设计第卷第期
环境的作用,叶脉形成了中轴图式的对称结构,侯文
峰等人对随机载荷下植物叶片的拓扑形状进行了研弯扭耦合效应
究,拓扑结果与植物叶片中轴结构基本吻合,主脉和侧
脉呈。夹角的特征,这种结构使得叶片在环境的随. 风电叶片的弯扭耦合