基于弯扭耦合的风力机叶片结构研究

李文超 李学敏, 赵 朋

（ 1、华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院，湖北 武汉430074 2、华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉430074）

为提高风能转化率、降低风力发电成本，风力机叶片不断趋于大型化，选址逐渐向海上发展。这些大型风力机叶片具有较大的惯性、疲劳载荷；此外，它们还需要承受海上复杂多变的载荷环境。除智能叶片外，弯扭耦合叶片是降低大型叶片载荷，提升叶片寿命的途径之一。当叶片受到较强气动载荷、发生弯曲变形时，通过叶片内部的特殊结构设计，产生弯扭耦合使叶片发生扭转，改变气动攻角，从而减小总体气动载荷。

由于风力机叶片是由复合材料层合板铺设而成，复合材料尤其是碳纤维的价格十分昂贵，复合材料使用量的增加就意味着成本的提高。对风力机叶片而言，主梁是叶片的主要承载结构，承载叶片的大部分弯曲载荷。常用的主梁结构形式有主梁和腹板构成的矩形梁、C 型梁和圆筒型梁，而圆筒型梁在刚度和最大应力上具有明显优势。通过风力机叶片圆筒型主梁截面结构设计，能够保证叶片在具有良好的气动性能、较高的强度和刚度的前提下，质量更好，成本更低。

Blasques 等结合Saint-Venant 理论开发了二维梁截面特性分析工具BECAS[1]。Bagherpour 等[2]采用BECAS 结合一维各向异性梁分析工具hGAST 模拟叶片弯扭耦合特性。以上是将3D 叶片，分为2D 翼型截面和1D 梁结合的形式来分析弯扭耦合特性的简化方法。王子文等[3]采用DTU10MW 叶片数据在ANSYS 中建立三维模型分析叶片在气动载荷作用下的变形情况。……