风力机适应性叶片的仿生学研究

弯扭耦合叶片具有一定的自适应能力，使风力机运行更加平稳，气动效率高，减少控制元件，提高机组可靠性，因此成为近年来叶片设计、分析和控制的重要研究内容。植物叶片柔顺性是长期自然进化的结果，有其天然合理性。本项目选择典型植物叶片，观测其形态和组织的解剖结构，实验测定其结构及材料的力学特性，理解植物叶片弯扭耦合特性，探索植物叶片承载自适应机理；研究基于TRIZ的仿生设计方法与步骤，提出风力机叶片仿生构思，从功能、约束、品质几方面对叶片仿生方案进行相似分析、评价，实施风力机适应性叶片仿生设计；针对风能的随机性、不确定性，弯扭自适应叶片仿生设计的的多学科、复杂性特点，建立径向基神经网络的响应面全局近似方法，利用多学科设计优化平台iSIGHT，实现风力机叶片仿生设计的多学科优化，对于完善风力机自适应叶片设计方法，提高风能利用效率，改善叶片气弹特性，减少叶片重量，促进仿生学的工程应用都有着重要的意义。

弯扭适应性叶片可提高风能捕获效果，降低叶片承受冲击载荷，并在高风速时改善安全性。自然进化使植物叶片具有一定的刚性和良好的气弹耦合特性，不仅能够抵抗风载和其它恶劣环境因素的作用，而且重量轻，可靠性高。.　　功能既是生物体的固有属性，也是设计学的核心内容，已成为生物学与工程科学交叉、融合的重要纽带。本项目把功能作为仿生学研究的基本单位，提出了以功能为核心，运用TRIZ冲突解决原理理解生物矛盾解决方案，确定基于TRIZ的仿生设计过程的功能步骤；采用文本搜索和图像检索手段确定生物功能目标，从而提高仿生设计过程的可操作性、效率和效果。依照基于TRIZ的仿生设计方法，将自适应功能、植物抗风特性作为功能关键词，进行文本搜索和图像检索，确定了以椰树叶片及胡杨叶片作为风力机适应性叶片的仿生对象。.　　研究表明，椰树羽状全裂形叶片具有更大的柔性，更易使风的作用快速衰减，且局部受到超极限应力作用，可牺牲个别叶片，而不致使整体叶片破坏。在风力作用下，羽状叶片相互间作用、影响、协调，使各叶片整体产生卷曲，实现弯扭耦合协调，降低风对叶片的阻力和损伤，因而能够适应极端大风作用。.　　胡杨异形叶尺寸较小，但叶片数较多，能在极端干旱风沙气候下维持胡杨树的正常生理功能。胡杨叶片具有柔性的厚壁和厚角组织，通过改变组织类型和排列，能承受大的弯曲和扭转；胡杨叶柄较扁，其横截面形状可显著影响抗弯和抗扭刚度的比例。胡杨通过改变叶片形状，增强叶柄的弯扭耦合性能，表现出突出的抗风能力。. 借鉴椰树羽状叶具有全裂性、大柔性特点，胡杨异形叶增强的厚壁、厚角组织和扁形叶柄，针对风力机弯扭适应性叶片的结构特征，设计了具有椭圆形过渡叶根截面、仿叶脉纤维分布和加装分裂式叶尖小翼的仿生风力机叶片。初步研究试验表明，提高了风力机叶片柔性，增强了叶片弯扭耦合自适应性能，且有利于改善叶片的综合性能。