1、隨著化石燃料儲量的減少，人們對于能源危機的恐慌越發(fā)嚴重，風能作為一種清潔的可再生能源，也隨之受到世界各國的關注與重視。風輪葉片作為風力發(fā)電機中最核心的部件，不光其成本占到整機價值的20％左右，其性能的好壞也直接影響風力發(fā)電機對風能的轉化效率。如何準確分析風輪葉片的性能并設計出新型高效的風輪葉片，具有非常重要的理論意義和工業(yè)應用價值。
　　在國家自然科學基金項目“基于參數化的風力機葉片氣動性能與結構一體化設計理論”（項目編號：511

2、75526）和國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）“先進風力機翼型族設計技術研究”（項目編號：2012AA051301）的資助下，本人提出了“基于翼型庫的風力機葉片氣動外形與結構一體化設計理論研究”的研究課題。在分析國內外風力機翼型設計方法的基礎上，提出了將翼型集成理論與樣條曲線結合的翼型表達方法，并在翼型的設計中考慮翼型型線對翼型氣動和結構性能的影響，設計出氣動性能優(yōu)越，結構性能優(yōu)良的翼型；深入研究氣動彈性對葉片捕風性能的影響，并通過

3、試驗進行了驗證；在此基礎上，充分考慮葉片設計過程中，翼型、葉片氣動外形和葉片結構之間的相互關系，提出了基于翼型庫的風力機葉片氣動外形與結構的一體化設計方法。論文完成的主要研究工作和取得的研究成果主要有：
　　①在風力機翼型的研究過程中，提出了將西奧道生理論與B樣條曲線結合的翼型型線表達方法，引入了翼型結構參數的概念，在此基礎上，提出了風力機專用翼型氣動結構一體化設計方法。新方法以風力機翼型氣動性能和結構性能同時最優(yōu)為目標，運用改進

4、的遺傳算法對翼型型線進行優(yōu)化設計，優(yōu)化得到不同相對厚度且氣動結構綜合性能優(yōu)良的CQU-L型風力機專用翼型族群，形成原始翼型庫；
　?、谝燥L力機空氣動力學為基礎，引入葉片受到氣動載荷時產生的扭轉變形量，建立了考慮氣動彈性的風力機空氣動力學模型，提出了將葉片受到的氣動載荷解耦成壓力函數，加載到葉片有限元模型上求解變形的流固耦合分析新方法。運用該方法，在多種風速工況下對風力機葉片進行了性能分析計算。結果表明：對于大功率的風力機，風輪受到

5、的載荷隨風速的增加而變大，相應地，葉片彈性變形也隨之變大，葉片的氣動外形發(fā)生明顯的改變，從而影響風輪的實際性能。氣動彈性對最大功率利用系數影響不大，但對處于大風速大載荷條件下的風輪性能產生明顯的負面影響，降低了風輪對風能的吸收。
　?、鄹鶕F有葉片氣動外形設計方法，設計出1kW風力機葉片外形，采用FRP成型技術完成1kW復合材料風力機葉片的加工制造，并完成風輪的組裝；根據 GB/T18451.2-2012標準，搭建試驗測試平臺，利

6、用汽車載體，對1kW風力機進行車載捕風性能測試，并將測試結果進行分析整理，與理論分析結果進行對比，從而驗證“考慮氣動彈性的風力機葉片分析方法”的正確性。
　　④在復合材料風力機葉片強度失效分析理論的基礎上，結合風力機葉片流固耦合分析方法，以額定風速下風力機功率最優(yōu)為目標，以葉片弦長、扭角為設計變量，建立了考慮氣動彈性的風力機葉片設計及優(yōu)化數學模型，運用遺傳算法對某850kW風力機葉片進行優(yōu)化設計，優(yōu)化結果表明，相比參考葉片，優(yōu)化后

7、的葉片在葉片質量減小的前提下，風力機的輸出功率得到提高，最高達23kW。該方法為設計出高性能輕質量低成本的風力機提供了理論依據。
　　⑤基于翼型、葉片弦長及扭角和葉片結構鋪層的參數化表達，建立了完整的復合材料風力機葉片參數化有限元模型，通過對比有限元模型和某公司同等級別葉片的質量和動態(tài)特性，證實參數化建模能較準確地模擬真實葉片實際構造。基于此，以氣動彈性影響下葉片輸出功率最大和葉片質量最小為雙目標，考慮在葉片設計時翼型形狀、葉片弦