風(fēng)力發(fā)電葉片主梁彎扭耦合設(shè)計研究

   葉片是風(fēng)機(jī)的主要部件之一，高效率的風(fēng)電機(jī)組必然要求高效率的風(fēng)輪葉片。要獲得高效率的葉片，除了設(shè)計出優(yōu)良的葉片外形之外，葉片性能的提高還可以通過氣彈剪裁來實現(xiàn)^[1]。彈性剪裁可以通過兩種途徑來實現(xiàn)，①將鋪層輸入，比如鋪層材料，鋪層方向作為設(shè)計參數(shù)^[2,5];②將葉片截面剛度彎扭耦合作為設(shè)計參數(shù)。途徑一顯然過于復(fù)雜，因為葉片鋪層最多達(dá)到上百層。途徑二則在風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用^[6,7]。彎扭耦合是工程中常見的一種變形現(xiàn)象，即結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生彎曲的同時還伴隨著扭轉(zhuǎn)的發(fā)生。過去葉片彎扭耦合效應(yīng)是工程設(shè)計人員很頭疼的難題^[8]，都設(shè)法消除耦合現(xiàn)象。但在航空領(lǐng)域人們開始利用復(fù)合材料的彎扭耦合、拉剪耦合效應(yīng)，以提高機(jī)翼的性能。而在葉片結(jié)構(gòu)上，也引入彎扭耦合設(shè)計概念，控制葉片的氣彈變形，這就是前面所說的氣彈剪裁。通過彎扭耦合設(shè)計，降低了葉片疲勞載荷，并能優(yōu)化功率輸出^[9]。
    本文首先建立彎扭耦合設(shè)計的控制參數(shù)，并從理論上針對不同材料研究控制參數(shù)可能的變化范圍，同時以一個葉片主梁進(jìn)行彎扭耦合的試設(shè)計。
1 彎扭耦合控制參數(shù)
1.1 參數(shù)建立
    彈性剪裁可以通過控制鋪層參數(shù)來實現(xiàn)，比如鋪層材料、鋪層角、鋪層順序。這種方式容易理解，但上百層的鋪層使其實際運(yùn)用起來非常困難，為此，工程設(shè)計人員利用葉片截面剛度在彎曲、扭轉(zhuǎn)上的耦合來實現(xiàn)彈性剪裁，并建立了梁截面上耦合控制參數(shù)^[10,11]：

           
    其中,EI為彎曲剛度；GJ為扭轉(zhuǎn)剛度。
    雖然在航空領(lǐng)域彎扭耦合得到了大量應(yīng)用，但在風(fēng)機(jī)領(lǐng)域的運(yùn)用還不是非常成熟。參數(shù)α與鋪層參數(shù)的關(guān)系至今還沒有很好地建立。從數(shù)學(xué)上分析，α的取值范圍在-1到1之間^[1]，但其確切取值范圍還不清楚。
1.2 彎扭耦合參數(shù)研究
1.2.1 彎扭耦合控制
    要利用彎扭耦合服務(wù)于設(shè)計,必須明確方程(1)中的控制參數(shù)α是如何影響彎扭耦合程度的。對于葉片來說,葉片被視為根部固支的懸臂梁，主梁為對稱結(jié)構(gòu)，其彎扭耦合控制方程如下^[12]：