基于仿生學的風力機葉片結構設計及性能分析

摘要：鑒于風力機葉片內部結構與植物葉片存在一定的相似性，基于仿生學方法將植物葉片中軸形態應用于5 MW風力機葉片，提出一種新型仿生葉脈結構分布，并提出完整的復合材料葉片鋪層方案。通過流固耦合方法對新型仿生葉脈葉片進行模態分析與靜力學分析。結果表明，仿生葉片前6階固有頻率相較于傳統鋪層葉片均有所提高且不易發生共振，其抗扭轉特性也有所提高；在50 m/s的極端風載荷作用下，仿生葉片葉尖位移量明顯小于傳統葉片，應變分布與切應力分布較傳統葉片分布更加均勻，但切應力最大值有所增加。

關鍵詞：風力機葉片；復合材料；葉脈；仿生學；鋪層設計

中圖分類號：TK83 DOI：10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 014

0 引言

中國地域幅員遼闊，風能因其豐富儲量已成為可再生能源的重要組成部分。預計至2060年，我國發電總裝機容量將達80億千瓦，其中風電裝機容量將達到25億千瓦，占全國裝機總量的31. 2%［1］。因此，風電產業已成為我國建設高效能源體系、實現“雙碳”目標的重要手段之一［2］。

水平軸風力機是現代風力發電的主流設備，主要由葉片、輪轂、塔架、發電機和機艙等部件組成［3］。葉片是風力機捕獲風能的主要部件，又是主要承載部件，其結構性能將直接影響風力機發電效率與運行安全。由于葉片結構特征為長展向、短弦向和薄壁面，且長期受氣動力、自身重力及離心力等復雜載荷作用，所以葉片設計不僅需考慮氣動效率，還需滿足強度、剛度等結構要求以減小葉片形變及振動［4］。

復合材料因具有比強度高、密度小、耐腐蝕及良好的可設計性等優勢而被廣泛用于制造現代風力機葉片［5］。經過多年發展，復合材料葉片結構形式已形成較為系統的體系，典型截面結構包括主梁、腹板、前緣及尾緣鑲板和夾層板等。這些結構通常需經過鋪層設計優化鋪設角度、材料厚度、相對位置和鋪設順序等，從而獲得高結構性能的風力機葉片［6］。為此，國內外學者展開了諸多結構性能優化研究。例如，ALBANESI等［7］應用遺傳算法獲得葉片外表面最優布局，并對剪切腹板進行開孔設計，從而減少葉片質量，同時增加了極端載荷下塔架間隙安全裕度。BELFKIRA 等［8］通過混合技術將洋麻纖維與碳纖維、玻璃纖維混合應用于風力機葉片鋪層，最終使葉片質量減少40%，材料成本節約67%，葉尖變形比最大允許值減小約17%。張孟潔［9］應用粒子群優化算法，以最小強度比為優化目標，對葉片進行多截面鋪層優化設計，優化后葉片的各種結構性能均有所提高。

除通過優化方法改進葉片鋪層方案的方法外，還有一些學者借鑒仿生學嘗試構建新型風力機葉片結構。劉旺玉等［10］基于植物葉脈中軸對稱結構，提出了一種葉片鋪層角度排列方式，可減小葉片在高風速下的內部載荷。張立等［11］借鑒葉脈分布規律建立了一種仿生腹板模型，結果表明，仿生腹板的柔性增加，使其具有優越的抗共振性能，并且可以節省近一半的材料。王淵博等［12］基于仿生學方法模仿動物骨骼結構，設計風力機葉片內部骨架構型，同時采用分形學理論對其表面進行減材處理，與原始葉片相比，可有效防止變槳故障葉片出現斷裂損毀情況。

盡管已有學者對仿生葉片開展了研究，但尚未將仿生概念應用于風力機葉片鋪層設計方案。因此，本文受植物葉片葉脈結構啟發，在仿生葉片研究基礎上提出一種新型5 MW風力機葉片的仿生鋪層結構，通過將傳統直線型主梁腹板重構為模仿葉脈的中軸支脈形態以加強結構剛度，利用流固耦合方法分析仿生葉片結構性能并與傳統葉片鋪層方案進行對比，從而為風力機葉片結構提供新的設計思路。