基于植物柔性多体系统的大型风力机仿生设计理论研究

随着风力机的大型化和海上化，传统的刚度设计理论已经不能满足由于叶片和塔架的大型化以及海上风场对风力机的动态性能的要求，如何处理好各柔性系统之间耦合产生的系统动力学问题，提高风力机可靠性，从而优化风力机输出功率曲线，拓宽运行风速范围，成为一个亟待解决的问题。申请人受大型植物良好的刚柔耦合特性和宽风速适应性的启发，提出基于植物柔性多体系统工作原理的风力机动力学仿生设计的思想。项目拟探索植物系统的材料特性、刚度分配、几何特征和系统分级模式对叶片动力学输出响应的影响，建立典型植物系统柔性多体动力学耦合方程，研究植物系统分级模式对随机载荷的输出响应，分析组件之间的柔度耦合作用。在此基础上，运用植物系统柔性多体动力学机理，探索风力机塔架与叶片的耦合效应，分析系统主要响应参数，优化叶片动态输出功率曲线，提高风力机的可靠性，最终获得仿生设计准则，为大型风力机的动力学设计提供理论指导。

随着风力机的大型化和海上化，传统的刚度设计理论已经不能满足由于叶片和塔架的大型化以及海上风场对风力机的动态性能要求，如何处理好各柔性系统之间耦合产生的系统动力学问题，提高风力机可靠性，从而优化风力机输出功率曲线，拓宽运行风速范围，成为一个亟待解决的问题。课题采用理论、实验和数值模拟相结合的方式，对植物系统材料特性、几何特征以及系统分级模式进行了探讨，重点分析了植物叶片的拓扑结构、王棕树干-叶鞘-叶柄以及树干-叶柄-叶片系统的柔度耦合作用，并采用多尺度分析方法研究了王棕多体系统微观多孔薄壁结构与宏观刚度特性差异的内在机制，揭示了中轴式叶脉结构抗弯扭耦合、王棕树干高强度高刚度比、王棕多体系统柔度耦合等优异的自适应特性。在此基础上，进行了抗弯扭耦合的自适应叶片仿生设计，提高了大型风力机功率输出稳定性，拓宽了工作风速范围。基于树干层合结构材料幂率分布进行了塔架仿生设计，大大提高了塔架结构屈曲稳定性和单位质量受载能力，与此同时，针对外界冲击载荷，对应的PLD塔架直驱风力机均能以较低的振幅承载，从而提高了风力机系统的可靠性。根据植物柔性多体系统的刚柔耦合机制，对大型风力机柔性链接结构进行了初步设计，提出了仿伞形、翻转、咬合、柔性结构等铰链设计方案。受植物避风特性启发，对伞形风力机进行了结构仿生设计探讨，对重力、离心载荷、风压、组合工况以及阵风状况下“桨叶长度控制”的伞形风力机静动态响应进行了分析校核。建立了直驱风力机刚柔多体结构动力学方程，借助数值模拟方法对直驱风力机传动链系统内部子结构、叶片与塔架、以及风轮、传动链与塔架主要零部件进行了解耦设计研究，另外，分析了风轮转速对风力机系统动力特性的影响状况，发现动力刚化效应对高阶频率的影响大于低阶频率。