基于仿生学的风力机叶片结构设计及性能分析

朱海波; 缪维跑; 王海生; 李春; 范士杰; 岳敏楠

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.014

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于仿生学的风力机叶片结构设计及性能分析

·优化·可靠性· | 更新时间：2025-04-25

- 基于仿生学的风力机叶片结构设计及性能分析
- STRUCTURAL DESIGN AND PERFORMANCE ANALYSIS OF WIND TURBINE BLADE BASED ON BIONICS
- 机械强度 2025年47卷第4期页码：112-121
- 作者机构：
  
  上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093
- 作者简介：
  
  朱海波，男，1999年生，山东枣庄人，硕士研究生；主要研究方向为风力机结构设计；E-mail：zhuhb0526@163.com。
  缪维跑（通信作者），男，1990年生，浙江温州人，博士，讲师；主要研究方向为风力机流固耦合及优化；E-mail：mwpusst@163.com。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(51976131;52006148;52106262)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.014
  中图分类号： TK83
- 收稿日期：2023-08-28，
  
  修回日期：2023-10-16，
  
  纸质出版日期：2025-04-15
- 稿件说明：
移动端阅览
朱海波，缪维跑，王海生，等. 基于仿生学的风力机叶片结构设计及性能分析［J］.机械强度，2025，47（4）：112-121.

ZHU Haibo，MIAO Weipao，WANG Haisheng，et al. Structural design and performance analysis of wind turbine blade based on bionics［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（4）：112-121.
朱海波，缪维跑，王海生，等. 基于仿生学的风力机叶片结构设计及性能分析［J］.机械强度，2025，47（4）：112-121. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.014.

ZHU Haibo，MIAO Weipao，WANG Haisheng，et al. Structural design and performance analysis of wind turbine blade based on bionics［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（4）：112-121. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.014.

摘要

鉴于风力机叶片内部结构与植物叶片存在一定的相似性，基于仿生学方法将植物叶片中轴形态应用于5 MW风力机叶片，提出一种新型仿生叶脉结构分布，并提出完整的复合材料叶片铺层方案。通过流固耦合方法对新型仿生叶脉叶片进行模态分析与静力学分析。结果表明，仿生叶片前6阶固有频率相较于传统铺层叶片均有所提高且不易发生共振，其抗扭转特性也有所提高；在50 m/s的极端风载荷作用下，仿生叶片叶尖位移量明显小于传统叶片，应变分布与切应力分布较传统叶片分布更加均匀，但切应力最大值有所增加。

Abstract

Due to the similarity between the internal structure of wind turbine blades and plant leaves

a new type of bionic leaf vein structural distribution was proposed

along with an entire composite blade layup program based on the bionic method of applying the mid-axis morphology of plant blades to 5 MW wind turbine blades. The modal analysis and static analysis of the new bionic vein blade were performed using the fluid-solid coupling method. The results show that the first six-order of the nature frequency of the bionic blade are improved in comparison to the traditional layup blade and are difficult to resonate

as well as its torsion resistance. Under the extreme wind load of 50 m/s

the displacement of the bionic blade’s tip is significantly smaller than that of the traditional blade

and the distribution of the strain and the distribution of the shear stress are more uniform than those of the traditional layup blade

but the maximum value of shear stress rises.

关键词

Keywords

references

全球能源互联网合作组织．中国2030年能源电力发展规划研究及2060年展望［R/OL］．（ 2021-03-18 ）［ 2023-05-13 ］． https：//shupeidian.bjx.com.cn/html/20210319/1142781-2.shtml https://shupeidian.bjx.com.cn/html/20210319/1142781-2.shtml ．

Global Energy Internet Partnership . Chinese energy and power development planning study 2030 and outlook 2060 ［R/OL］. （ 2021-03-18 ）［ 2023-05-13 ］. https：//shupeidian.bjx.com.cn/html/20210319/1142781-2.shtml. https://shupeidian.bjx.com.cn/html/20210319/1142781-2.shtml. （In Chinese）

中华人民共和国中央人民政府．中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要［EB/OL］．（ 2021-03-11 ）［ 2023-05-13 ］． http：//www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm http://www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm ．

Central People’s Government of the People’s Republic of China . Outline of the fourteenth five-year plan for the national economic and social development of the People’s Republic of China and the vision 2035 ［EB/OL］. （ 2021-03-11 ）［ 2023-05-13 ］. http：//www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm. http://www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm. （In Chinese）

胡燕平，戴巨川，刘德顺．大型风力机叶片研究现状与发展趋势［J］．机械工程学报， 2013 ， 49 （ 20 ）： 140 - 151 ．

HU Yanping ， DAI Juchuan ， LIU Deshun . Research status and development trend on large scale wind turbine blades ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2013 ， 49 （ 20 ）： 140 - 151 . （In Chinese）

SKRZYPIŃSKI W ， GAUNAA M . Wind turbine blade vibration at standstill conditions-the effect of imposing lag on the aerodynamic response of an elastically mounted airfoil ［J］. Wind Energy ， 2015 ， 18 （ 3 ）： 515 - 527 .

张立，缪维跑，李春，等．基于气动弹性剪裁的大型风力机弯扭耦合叶片力学性能分析［J］．动力工程学报， 2021 ， 41 （ 8 ）： 674 - 683 ．

ZHANG Li ， MIAO Weipao ， LI Chun ， et al . Mechanical performance analysis of large wind turbine bend-twist coupling blade based on aeroelastic tailoring ［J］. Journal of Chinese Society of Power Engineering ， 2021 ， 41 （ 8 ）： 674 - 683 . （In Chinese）

SJØLUND J H ， LUND E . Structural gradient based sizing optimization of wind turbine blades with fixed outer geometry ［J］. Composite Structures ， 2018 ， 203 ： 725 - 739 .

ALBANESI A E ， PERALTA I ， BRE F ， et al . An optimization method based on the evolutionary and topology approaches to reduce the mass of composite wind turbine blades ［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization ， 2020 ， 62 （ 2 ）： 619 - 643 .

BELFKIRA Z ， MOUNIR H ， MARJANI A E . Structural optimization of a horizontal axis wind turbine blade made from new hybrid composites with kenaf fibers ［J］. Composite Structures ， 2020 ， 260 ： 113252 .

张孟洁．水平轴风力机复合材料叶片铺层优化设计［D］．天津：天津工业大学， 2019 ： 45 - 61 ．

ZHANG Mengjie . Optimised design of composite blade lay-up for horizontal axis wind turbines ［D］. Tianjin ： Tianjin Polytechnic University ， 2019 ： 45 - 61 . （In Chinese）

刘旺玉，张鑫，刘希凤，等．风力机柔性叶片的仿生设计与性能［J］．机械设计， 2010 ， 27 （ 5 ）： 7 - 10 ．

LIU Wangyu ， ZHANG Xin ， LIU Xifeng ， et al . Bionic design and performance study for flexible blades of wind turbine ［J］. Journal of Machine Design ， 2010 ， 27 （ 5 ）： 7 - 10 . （In Chinese）

张立，刘宇航，李春，等．基于仿生设计的风力机叶片腹板力学性能分析［J］．热能动力工程， 2019 ， 34 （ 9 ）： 141 - 147 ．

ZHANG Li ， LIU Yuhang ， LI Chun ， et al . Mechanical performance analysis of wind turbine blade web based on bionic design ［J］. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power ， 2019 ， 34 （ 9 ）： 141 - 147 . （In Chinese）

王渊博，张强，李春，等．风力机变桨故障叶片载荷特征及仿生分形与原始结构对比研究［J］．热能动力工程， 2022 ， 37 （ 4 ）： 144 - 151 ．

WANG Yuanbo ， ZHANG Qiang ， LI Chun ， et al . Comparative research on load characteristics and bionic fractal of wind turbine blade with pitch fault and the original structure ［J］. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power ， 2022 ， 37 （ 4 ）： 144 - 151 . （In Chinese）

JONKMAN J M ， BUTTERFIELD S ， MUSIAL W ， et al . Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development ［R］. Golden ： National Renewable Energy Laboratory ， 2009 ： 2 .

龚佳兴 . 基于弯扭耦合的仿生自适应风力机叶片的设计与评估［D］. 广州：华南理工大学， 2010 ： 6 .

GONG Jiaxing . Design and evaluation of bionic adaptive wind turbine blade based on bending-twist coupling effect ［D］. Guangzhou ： South China University of Technology ， 2010 ： 6 . （In Chinese）

刘旺玉，侯文峰，欧元贤．植物叶片中轴图式与力学自适应性的关系（Ⅰ）：试验研究和数值模拟［J］．华南理工大学学报（自然科学版）， 2007 ， 35 （ 3 ）： 42 - 46 ．

LIU Wangyu ， HOU Wenfeng ， OU Yuanxian . Relationship between medial axis pattern of plant leaf and mechanics self-adaptability（Ⅰ）：experimental investigation and numerical simulation ［J］. Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition）， 2007 ， 35 （ 3 ）： 42 - 46 . （In Chinese）

吴华锋．棕榈科植物结构力学性能研究与风力机仿生［D］．广州：华南理工大学， 2013 ： 9 - 10 ．

WU Huafeng . Research on structural mechanical property of the family palame and boinic design of wind turbine ［D］. Guangzhou ： South China University of Technology ， 2013 ： 9 - 10 . （In Chinese）

PEETERS M ， SANTO G ， DEGROOTE J ， et al . High-fidelity finite element models of composite wind turbine blades with shell and solid elements ［J］. Composite Structures ， 2018 ， 200 ： 521 - 531 .

TODD G D ， THOMAS D . Large offshore rotor development：design and analysis of the Sandia 100-meter wind turbine blade ［R］. New Mexico ： Sandia National Laboratories ， 2012 ： 98441 .

MANDELL J F ， SAMBORSKY D D . DOE/MSU composite material fatigue database：test methods，materials，and analysis ［R］. New Mexico ： Sandia National Laboratories ， 1997 ： 54 .

缪维跑．台风环境下风力机流固耦合响应及叶片自适应抗风性研究［D］．上海：上海理工大学， 2019 ： 44 - 50 ．

MIAO Weipao . Study of fluid structure interaction response of wind turbine in typhoon environments and wind resistance of adaptive blade ［D］. Shanghai ： University of Shanghai for Science and Technology ， 2019 ： 44 - 50 . （In Chinese）

IEC . Wind turbines-part 3：design requirements for floating offshore wind turbines ： IEC 61400-1 ［S］. Geneva ： International Electrotechnical Commission ， 2009 ： 68 - 69 .

全国风力机械标准化技术委员会．台风型风力发电机组： GB/T 31519—2015 ［S］．北京：中国标准出版社， 2015 ： 32 ．

National Wind Machinery Standardization Technical Committee . Wind turbine generator system under typhoon condition ： GB/T 31519—2015 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2015 ： 32 . （In Chinese）

HAN T ， MCCANN G ， MÜCKE T A ， et al . How can a wind turbine survive in tropical cyclone？［J］. Renewable Energy ， 2014 ， 70 ： 3 - 10 .

蔡新，潘盼，朱杰，等．风力发电机叶片［M］．北京：中国水利水电出版社， 2014 ： 95 - 96 ．

CAI Xin ， PAN Pan ， ZHU Jie ， et al . Wind turbine blade ［M］. Beijing ： China Water & Power Press ， 2014 ： 95 - 96 . （In Chinese）

张进军．有限元分析及Ansys Workbench工程应用［M］．西安：西北工业大学出版社， 2018 ： 378 ．

ZHANG Jinjun . Finite element analysis and Ansys Workbench engineering application ［M］. Xi’an ： Northwestern Polytechnical University Press ， 2018 ： 378 . （In Chinese）

郭超．大型风电机组的模态分析研究［D］．太原：山西大学， 2020 ： 42 ．

GUO Chao . Research on modal analysis of large wind turbine ［D］. Taiyuan ： Shanxi University ， 2020 ： 42 . （In Chinese）

刘旺玉，龚佳兴，刘希凤，等．基于弯扭耦合的自适应风力机叶片设计［J］．太阳能学报， 2011 ， 32 （ 7 ）： 1014 - 1019 ．

LIU Wangyu ， GONG Jiaxing ， LIU Xifeng ， et al . The adaptive blade design of wind turbine based on beam flap-twist coupling theory ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2011 ， 32 （ 7 ）： 1014 - 1019 . （In Chinese）

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

大型风力机叶片碳-玻纤维混掺设计及结构性能分析

大型风力机新型弯扭耦合叶片结构特性分析

大型风力机叶片腹板偏置对弯扭耦合特性研究

基于弯扭耦合的大型风力机复合材料叶片结构特性研究

湍流模型下风力机叶根螺栓动载强度分析