風力發電葉片主梁彎扭耦合設計研究

   葉片是風機的主要部件之一，高效率的風電機組必然要求高效率的風輪葉片。要獲得高效率的葉片，除了設計出優良的葉片外形之外，葉片性能的提高還可以通過氣彈剪裁來實現^[1]。彈性剪裁可以通過兩種途徑來實現，①將鋪層輸入，比如鋪層材料，鋪層方向作為設計參數^[2,5];②將葉片截面剛度彎扭耦合作為設計參數。途徑一顯然過于復雜，因為葉片鋪層最多達到上百層。途徑二則在風機葉片設計中得到了廣泛應用^[6,7]。彎扭耦合是工程中常見的一種變形現象，即結構在產生彎曲的同時還伴隨著扭轉的發生。過去葉片彎扭耦合效應是工程設計人員很頭疼的難題^[8]，都設法消除耦合現象。但在航空領域人們開始利用復合材料的彎扭耦合、拉剪耦合效應，以提高機翼的性能。而在葉片結構上，也引入彎扭耦合設計概念，控制葉片的氣彈變形，這就是前面所說的氣彈剪裁。通過彎扭耦合設計，降低了葉片疲勞載荷，并能優化功率輸出^[9]。
    本文首先建立彎扭耦合設計的控制參數，并從理論上針對不同材料研究控制參數可能的變化范圍，同時以一個葉片主梁進行彎扭耦合的試設計。
1 彎扭耦合控制參數
1.1 參數建立
    彈性剪裁可以通過控制鋪層參數來實現，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用起來非常困難，為此，工程設計人員利用葉片截面剛度在彎曲、扭轉上的耦合來實現彈性剪裁，并建立了梁截面上耦合控制參數^[10,11]：

           
    其中,EI為彎曲剛度；GJ為扭轉剛度。
    雖然在航空領域彎扭耦合得到了大量應用，但在風機領域的運用還不是非常成熟。參數α與鋪層參數的關系至今還沒有很好地建立。從數學上分析，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 彎扭耦合參數研究
1.2.1 彎扭耦合控制
    要利用彎扭耦合服務于設計,必須明確方程(1)中的控制參數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，主梁為對稱結構，其彎扭耦合控制方程如下^[12]：