基於植物柔性多體系統的大型風力機仿生設計理論研究

《基於植物柔性多體系統的大型風力機仿生設計理論研究》是依託華南理工大學，由劉旺玉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於植物柔性多體系統的大型風力機仿生設計理論研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉旺玉
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

隨著風力機的大型化和海上化，傳統的剛度設計理論已經不能滿足由於葉片和塔架的大型化以及海上風場對風力機的動態性能的要求，如何處理好各柔性系統之間耦合產生的系統動力學問題，提高風力機可靠性，從而最佳化風力機輸出功率曲線，拓寬運行風速範圍，成為一個亟待解決的問題。申請人受大型植物良好的剛柔耦合特性和寬風速適應性的啟發，提出基於植物柔性多體系統工作原理的風力機動力學仿生設計的思想。項目擬探索植物系統的材料特性、剛度分配、幾何特徵和系統分級模式對葉片動力學輸出回響的影響，建立典型植物系統柔性多體動力學耦合方程，研究植物系統分級模式對隨機載荷的輸出回響，分析組件之間的柔度耦合作用。在此基礎上，運用植物系統柔性多體動力學機理，探索風力機塔架與葉片的耦合效應，分析系統主要回響參數，最佳化葉片動態輸出功率曲線，提高風力機的可靠性，最終獲得仿生設計準則，為大型風力機的動力學設計提供理論指導。

結題摘要

隨著風力機的大型化和海上化，傳統的剛度設計理論已經不能滿足由於葉片和塔架的大型化以及海上風場對風力機的動態性能要求，如何處理好各柔性系統之間耦合產生的系統動力學問題，提高風力機可靠性，從而最佳化風力機輸出功率曲線，拓寬運行風速範圍，成為一個亟待解決的問題。課題採用理論、實驗和數值模擬相結合的方式，對植物系統材料特性、幾何特徵以及系統分級模式進行了探討，重點分析了植物葉片的拓撲結構、王棕樹幹-葉鞘-葉柄以及樹幹-葉柄-葉片系統的柔度耦合作用，並採用多尺度分析方法研究了王棕多體系統微觀多孔薄壁結構與巨觀剛度特性差異的內在機制，揭示了中軸式葉脈結構抗彎扭耦合、王棕樹幹高強度高剛度比、王棕多體系統柔度耦合等優異的自適應特性。在此基礎上，進行了抗彎扭耦合的自適應葉片仿生設計，提高了大型風力機功率輸出穩定性，拓寬了工作風速範圍。基於樹幹層合結構材料冪率分布進行了塔架仿生設計，大大提高了塔架結構屈曲穩定性和單位質量受載能力，與此同時，針對外界衝擊載荷，對應的PLD塔架直驅風力機均能以較低的振幅承載，從而提高了風力機系統的可靠性。根據植物柔性多體系統的剛柔耦合機制，對大型風力機柔性連結結構進行了初步設計，提出了仿傘形、翻轉、咬合、柔性結構等鉸鏈設計方案。受植物避風特性啟發，對傘形風力機進行了結構仿生設計探討，對重力、離心載荷、風壓、組合工況以及陣風狀況下“槳葉長度控制”的傘形風力機靜動態回響進行了分析校核。建立了直驅風力機剛柔多體結構動力學方程，藉助數值模擬方法對直驅風力機傳動鏈系統內部子結構、葉片與塔架、以及風輪、傳動鏈與塔架主要零部件進行了解耦設計研究，另外，分析了風輪轉速對風力機系統動力特性的影響狀況，發現動力剛化效應對高階頻率的影響大於低階頻率。