基于仿生设计的风力发电机叶片力学性能的实验研究 - 副本.pdf

第卷第期实验力学. .
年月.
文章编号:———
基于仿生设计的风力发电机
叶片力学性能的实验研究
刘旺玉,张海全,李明刚
华南理大学机械与汽车程学院,广东广州
摘要:根据风力机的基本理论和相似理论设计了一个翼型为,半径为的小型风力机
叶片。运用结构仿生学原理,对所设计的风力机叶片进行了仿生物中轴铺层设计。通过模态实
验与应变实验,比较了传统设计与仿生设计两种不同风力机叶片的力学性能。模态实验结果表
明,基于仿生设计的叶片的前六阶固有频率比传统叶片的前六阶固有频率减少约;两种叶片
的固有频率均满足设计要求;仿生设计的叶片几乎不会改变叶片的动态特性。而应变实验表
明,仿生设计的叶片在各种工况下的应变均大于传统的叶片约~ 。新设计的叶片具有
较好的柔性,有效减小了叶片的应力,提高了叶片的疲劳寿命。
关键词:仿生设计;中轴图式;风力机叶片;模态和应变试验
中图分类号: 文献标识码:
引言
生物的进化过程是生物适应自然环境的一个过程,植物叶片作为天然的复合材料,在自然进化过程
中已经适应了复杂的环境应力。中轴概念最初是由于年提出的,它主要用于描述生物体
的形状特征。中轴图式是生物组织的一个普遍而显著的特征,是自然复合结构为适应复杂环境而逐渐
进化的最优结构,生物组织的应力一应变自适应关系已得到生物力学家的认同。植物叶片和风力机
叶片具有相同的应力环境,都要对随机载荷具有良好的承受能力,我们有理由相信:基于生物中轴图式
的复合材料结构对提高风力机叶片适应复杂载荷,进而提高叶片的疲劳性能具有重要意义。
目前风力机叶片上最常用的是玻璃纤维树脂复合材料,俗称玻璃钢。复合材料的铺层角度和顺序
直接决定了叶片的强度和刚度,传统的铺层角度一般由。、土。、。组成。本文参照文献的传统铺
层方式和中轴的对称结构以及仿植物叶脉的主侧脉/。夹角的中轴特征,设计了新的铺层方式,如表
,并通过试验比较了传统设计与仿生设计两种不同设计思想的风力机叶片的力学性能。
表叶片的铺层方式
.
铺层方式铺层角度和顺序
传统铺层。/一。/。/。
中轴铺层。/一。/。/。
收稿日期:——:修订日期:——
基金项目:国家自然科学基金资助号:和广东省自然科学基金资助号:
通讯作者:刘旺玉一,女,副教授,主要从事复合材料结构优化与仿生机理及应用。—:..
实验力学年第卷
试验设计
. 模型准备
目前风力机叶片最常用的是环氧树脂和玻璃纤维复合而成的材料,即玻璃纤维树脂复合材料,俗称
玻璃钢。它具有比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳性能耐腐蚀性能好以及便于大面积整体成型等
独特优点,因此本文选用玻璃钢制作叶片。
玻璃纤维布按编织方式分为方格布又称平纹布和单向布两种。根据叶片受力特征和铺层方式的
。图为所
制作的翼型为,半径为的风力机叶片模型。
图风力机叶片模型
.
. 试验目的
由于作用在风力机叶片上载荷的交变性和随机性,其本身又是弹性结构,因而叶片的振动是不可避
免的。当叶片运行的旋转频率接近其固有频率时就会产生较大的振动,发生共振。在风力发电机运行
过程中叶片