基于参数化的风力机叶片气动性能与结构一体化设计理论

研究风力机翼型气动力与叶片弹性扭转变形的相互影响和耦合机理，探讨叶片弹性变形作用下翼型气动力重分布的分析方法。研究在气动力、弹性力和惯性力共同作用下叶片颤振临界风速及失速颤振等风力机叶片气弹不稳定现象。揭示叶片空气动力特性、叶片结构拓扑特性和气弹特性等与叶片形状的耦合机理，以三维叶片形状的参数化解析表达模型为基础，建立风力机叶片形状与叶片结构气动弹性剪裁多学科协同分析和优化数学模型，充分利用叶片形状与气动弹性的耦合效应设计出具有结构重量轻、捕风效率高、气动弹性稳定性好的高性能风力机叶片；形成风力机叶片气动特性与内部结构一体化设计的新理论和新方法，通过风场试验进行测试和验证。本研究突破了传统的风力机叶片气动设计与内部结构铺层设计相互脱节的串行设计方法，提出了风力机叶片形状与叶片弹性变形耦合设计的新思想，为风力机叶片的开发提供强有力的技术支撑，具有重要的理论意义和工业应用价值。

风力机叶片翼型及其沿展向的分布设计理论是决定风力机功率特性和载荷特性的根本因素，一直是各国学者研究的热点所在。目前叶片翼型气动外形的设计及优化都是基于特定的几何轮廓，研究其空气动力学特性并进行设计和优化。对于风力机叶片形状设计及优化主要集中于气动性能的提高，且大多数是针对特定的风力机叶片形状进行的改良和修型。风力机叶片结构设计及优化研究主要针对叶片内部结构参数、叶片动力特性、叶片强度刚度等进行分析，以及在结构分析基础上进行叶片形状改良及结构的优化。综上表明，目前国内的设计研究大都采用叶片翼型叶片形状设计与叶片结构气弹设计相互独立的串行设计法。然而采用传统的串行设计法，难以充分考虑气动外形与结构弹性的耦合效应和协同机制，不能更大限度的改进叶片的性能和提高风力机的风能利用系数。本项目提出了“基于参数化的风力机叶片气动性能与结构一体化设计理论”的研究课题，以三维叶片形状的参数化解析表达模型为基础，建立风力机叶片形状与叶片结构气动弹性剪裁一体化优化设计数学模型。. 风力机叶片气动结构一体化设计的重要基础是翼形。研究了低噪声翼形设计、中等及大厚度翼形设计、典型霜冰条件下的风力机翼型优化设计、基于CFD的翼形设计和翼型气动结构一体化设计。风力机叶片的参数化表达是叶片气动和结构一体化优化设计的核心。以二维翼型的通用表征形式为基础，提出一种三维叶片通用表达形式，采用函数的形式对叶片几何形状进行集成表达（叶片的翼型分布、叶片弦长分布、叶片扭角分布），获得三维叶片形状的参数化解析表达模型。研究了基于性能及轻量化的风力机叶片优化设计、参数化风力机复合材料叶片建模及结构优化、风力机叶片气动弹性分析、风力机预弯叶片协同优化设计方法和基于翼型库的风力机叶片外形与结构一体化设计。基于叶片形状与气动弹性的耦合效应设计出具有结构重量轻、捕风效率高、气动弹性稳定性好的高性能风力机叶片，形成风力机叶片形状和叶片结构一体化设计的新理论和新方法。本研究突破了传统的风力机叶片形状设计与气动弹性设计相互脱节的串行设计方法，提出了基于三维叶片形状的参数化解析表达模型的风力机叶片气动外形与叶片弹性变形耦合设计的新思想，为风力机叶片的自主开发提供强有力的技术支撑，对提高我国风力机核心部件的自主研发能力具有非常重大的意义。