第2 4卷第 2期 20 0 9年 4月

实验力学 J OURNAL OF E ERI ENTAL M ECHANI XP M CS

Vo1 2 N o 2 .4 . A pr 2 9 . 00

文章编号： 0 14 8 ( 0 9 0— 1 1 0 1 0— 8 8 2 0 ) 20 2— 6

基于仿生设计的风力发电机叶片力学性能的实验研究 刘旺玉，张海全，李明刚 (南理 m大学机械与汽车 m程学院，广东广州 5 0 4 )华 1 6 0

摘要：根据风力机的基本理论和相似理论设计了一个翼型为 S 0 0半径为 l的小型风力机 G6 5, m

叶片。运用结构仿生学原理，所设计的风力机叶片进行了仿生物中轴铺层设计。通过模态实对 验与应变实验，比较了传统设计与仿生设计两种不同风力机叶片的力学性能。模态实验结果表明，于仿生设计的叶片的前六阶固有频率比传统叶片的前六阶固有频率减少约 8;基 两种叶片 的固有频率均满足设计要求；生设计的叶片几乎不会改变叶片的动态特性。而应变实验表仿明，生设计的叶片在各种工况下的应变均大于传统的叶片约 1~2 。新设计的叶片具有仿 O O

较好的柔性，效减小了叶片的应力，高了叶片的疲劳寿命。有提 关键词：生设计；中轴图式；风力机叶片；态和应变试验仿模 中图分类号： TK8 3文献标识码： A

0引言 生物的进化过程是生物适应自然环境的一个过程，物叶片作为天然的复合材料，自然进化过程植在中已经适应了复杂的环境应力。中轴概念最初是由 B u于 1 6 lm 9 7年提出的L,主要用于描述生物体 1它]的形状特征。中轴图式是生物组织的一个普遍而显著的特征，自然复合结构为适应复杂环境而逐渐是 进化的最优结构，生物组织的应力一应变自适应关系已得到生物力学家的认同[。植物叶片和风力机 2]

叶片具有相同的应力环境，要对随机载荷具有良好的承受能力，们有理由相信：于生物中轴图式都我基 的复合材料结构对提高风力机叶片适应复杂载荷，进而提高叶片的疲劳性能具有重要意义。

目前风力机叶片上最常用的是玻璃纤维树脂复合材料，称玻璃钢。复

合材料的铺层角度和顺序俗直接决定了叶片的强度和刚度，传统的铺层角度一般由 0、 5、 O组成。本文参照文献 E -。土4。9。 3]的传统铺层方式和中轴的对称结构以及仿植物叶脉的主侧脉 0/ 0夹角的中轴特征，计了新的铺层方式，表￣6。设如 1并通过试验比较了传统设计与仿生设计两种不同设计思想的风力机叶片的力学性能。, 表 1叶片的铺层方式 Ta . Th n u b n l d a o ts h d l b1 e wid t r i e b a e l y u c e u e

铺层方式 传统铺层 中轴铺层

铺层角度和顺序[ 5/ 5/。4。s 4。一4。0/ 5 E o/ 0/。6。s 6。一6。o/ 0]

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收稿日期： 0 81—9修订日期：2 0—31 2 0—11: 0 90—0基金项目：国家自然科学基金 (助号：0 7 0 7和广东省自然科学基金 (助号：5 0 4 6资 5 656)资 0069 )

通讯作者：刘旺玉 (9 6 )女，教授， 16一，副主要从事复合材料结构优化与仿生机理及应用。E malme l@ su. d .n— i: wyi u cte u c