一种风电叶片颤振抑制的仿生液体循环装置及其建立方法

本发明属于可再生能源，具体而言，涉及一种风电叶片颤振抑制的仿生液体循环装置及其建立方法。

背景技术：

1、风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，近年来在全球范围内得到了广泛应用和发展。风力机叶片作为风力发电系统的核心组件，其设计优劣直接决定了风能捕获效率、发电稳定性以及整个系统的经济效益。叶片通过捕捉风能并将其转化为机械动力，驱动发电机产生电能。然而，随着风力发电技术的发展和市场需求的推动，风力机叶片正朝着大型化、轻量化、高效率的方向迈进，这无疑对叶片的设计与制造提出了更高的要求。风力机叶片通常采用复合材料(如玻璃纤维、碳纤维等)制成，具有较高的比强度和比刚度，能够承受复杂的空气动力学载荷。叶片的基本结构包括叶根、叶身(包含前缘、翼型中部、后缘)和叶尖。叶身部分沿展向(叶片长度方向)被设计成特定的翼型，以优化气流在叶片表面的流动，最大限度地转化为升力。翼型中部通常设有主梁，以强化叶片的结构刚度，而前缘和后缘则负责引导和分离气流。叶根与风力机轮毂连接，承担传递扭矩的作用；叶尖则是叶片的最远端，受风力作用最大，对颤振敏感度较高。

2、尽管现代风力机叶片在设计上已取得显著进步，但仍存在一些挑战和弊端，主要体现在以下几个方面：颤振问题突出：随着叶片尺寸增大，其固有频率降低，更容易进入风速波动引起的共振区，导致颤振现象发生。颤振不仅会大幅降低风能转化效率，还会造成叶片疲劳损伤，严重时甚至引发叶片断裂，威胁风力发电系统的安全运行。质量分布不均引发振动放大：传统的叶片结构往往存在质量分布不均匀的问题，特别是在大尺度叶片中，局部质量偏差可能导致振动模式的失衡，加剧叶片在复杂风场条件下的振动响应，增加颤振风险。被动减振手段局限性：现有的叶片减振技术，如加装阻尼器、采用特殊材料或结构设计等，虽能在一定程度上抑制振动，但往往缺乏动态适应性，无法应对风速、风向瞬息万变的实际工况，且增重或复杂结构可能抵消部分风能收益。运维难度加大：大型叶片的维修与更换成本高昂，尤其是在偏远或海上风电场，对叶片的长期可靠性、自适应振动控制能力提出了更高要求。现有叶片结构难以实现高效的主动减振和自我调节，增加了运维负担。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种风电叶片颤振抑制的仿生液体循环装置及其建立方法，通过仿生蜻蜓翅膀内的血液循环机制，利用voronoi图在叶片内部设计仿生液体循环装置，解决了复杂工况下的叶片颤振。

2、本发明是这样实现的：

3、本发明的第一方面提供一种风电叶片颤振抑制的仿生液体循环装置，叶片包括蒙皮、主梁、腹板，其中，所述叶片还包括仿生管网抑颤系统，所述仿生管网抑颤系统包括仿生管网以及测试装置，所述仿生管网内部布置有仿生液体循环装置，所述叶片从中弧线分为吸力面以及压力面，所述吸力面位于所述叶片的迎风面，用于产生升力，所述压力面位于所述叶片的背风面；

4、将所述叶片进行展向与弦向的区域划分，叶片展向划分为：叶根、叶后段、叶中、叶前段、叶尖五部分；叶片弦向划分为：前缘、翼型中部、后缘三部分，其中，所述前缘对应所述叶根区域，所述翼型中部对应所述叶后段区域，所述后缘对应所述叶中、所述叶前段以及所述叶尖区域；

5、其中，所述仿生管网嵌入所述叶片内部，通过分析不同区域质量分布对振动特性的影响进行构建，所述测试装置具体为所述叶根处设置有力传感器，所述力传感器用于所述叶根的反力监测所述叶片振动情况。

6、本发明提供的一种风电叶片颤振抑制的仿生液体循环装置的技术效果如下：本发明通过仿生蜻蜓翅膀内的血液循环，利用voronoi图在叶片内部设计仿生液体循环装置，通过动态的液体循环调整叶片的质量分布，进而改变叶片固有频率，使其偏离颤振频率，实现复杂工况的风力机叶片颤振的抑制。

7、通过展向与弦向的双重划分，将叶片结构分为具有特定功能和特征的多个子区域，如叶根、叶尖、前缘等。这种方法有助于准确识别叶片各部位的力学特性、气动性能及潜在故障点，便于针对性地进行结构优化、振动控制、维护决策等，提升风力发电系统的整体效率、可靠性和经济性。

8、在上述技术方案的基础上，本发明的一种风电叶片颤振抑制的仿生液体循环装置还可以做如下改进：

9、其中，所述翼型中部位于所述主梁所在位置。

10、进一步的，所述区域划分由所述叶根向所述叶尖进行划分。

11、本发明的第二方面提供一种风电叶片颤振抑制的仿生液体循环装置的建立方法，其中，包括上述的一种风电叶片颤振抑制的仿生液体循环装置，所述建立方法包括以下步骤：

12、s10，获取所述叶片的设计因素，建立叶片模型；

13、s20，对所述叶片进行不同风速预应力谐响应分析，计算第一、二阶固有频率处的位移比，根据位移比构建减振率计算函数；

14、s30，根据影响因素，以构建的减振率为评价指标，对所述叶片进行正交试验与极差分析；

15、s40，利用二次函数对叶片展向、叶片弦向的减振率进行拟合，构建所述仿生管网以及所述仿生液体循环装置，并设置储液腔位置；

16、s50，对所述储液腔位置以及所述仿生液体循环装置的其它部分的仿生管网进行谐响应分析，获取所述仿生液体循环装置的抑颤效果。在上述技术方案的基础上，本发明的一种风电叶片颤振抑制的仿生液体循环装置的建立方法还可以做如下改进：

17、进一步的，所述设计因素包括风速、叶片展向、叶片弦向、介质密度、吸力面、压力面。

18、设计因素包括五个因素：风速(10水平)、叶片展向(5水平)、叶片弦向(3水平)、介质密度(3水平)、吸压力面(2水平)。

19、进一步的，所述步骤s20具体包括：

20、利用振动分析工具对处于预应力状态的叶片模型进行谐响应分析；

21、输入不同风速作为激励，计算所述叶片在不同风速下的动态响应，输出叶尖位移幅频图；

22、从所述叶尖位移幅频图中，提取叶片一阶和二阶固有频率对应的叶尖位移峰值；

23、计算第一、二阶固有频率处的位移比，根据位移比构建减振率计算函数。

24、谐响应分析用于确定线性结构在承受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时的稳态响应，分析过程中只计算结构的稳态受迫振动，不考虑激振开始时的瞬态振动，谐响应分析的目的在于计算出结构在几种频率下的响应值(通常是位移)对频率的曲线，从而使设计人员能预测结构的持续性动力特性，验证设计是否能克服共振、疲劳以及其他受迫振动引起的有害效果。

25、利用有限元分析软件或其他合适的振动分析工具，对处于预应力状态的叶片模型进行谐响应分析。输入不同风速作为激励，计算叶片在相应风速下的动态响应，特别是叶尖部位的位移随频率的变化情况，输出叶尖位移幅频图。

26、进一步的，所述步骤s30具体包括：

27、获取影响因素：包括风速、介质密度、区域划分，根据所述影响因素生成混合水平正交表，并设置正交实验；

28、选取介质密度，所述介质密度具体为用于所述叶片内部减振的液体介质的密度，所述液体介质具体为流体材料，所述流体材料包括水、油及乳化液；

29、针对每组正交实验的条件，进行预应力模态分析，计算所述叶片在不同叶片展向、叶片弦向区域填充不同密度液体介质后的固有频率和叶尖位移；

30、根据所述减振率计算函数以及模拟得到的第一、二阶固有频率处的位移比，计算对应的减振率；

31、对于每个所述影响因素，计算其在不同水平间的极差，即同一水平下所有试验结果的平均减振率与所有试验结果总平均减振率之差的最大值，得到极差分析结果；

32、依据所述极差分析结果，对各个所述影响因素按其对减振率影响的重要性进行排序，识别出对所述叶片减振效果最显著的因素。

33、进一步的，所述步骤s40具体包括：

34、获取正交试验结果中的叶片展向和叶片弦向各区域的减振率数据，将所述减振率数据划分为两组，一组包含叶片展向区域对应的减振率，即展向数据，另一组包含叶片弦向区域对应的减振率，即弦向数据；

35、针对所述展向数据以及弦向数据分别选择二次函数模型，利用matlab函数，对所述展向数据和所述弦向数据分别进行二次拟合，得到拟合曲线以及弦向比例；

36、将计算得到的叶片展向和弦向节点坐标映射到叶片区域内，以所述叶片前缘与后缘轮廓为边界，根据计算的弦向比例划分所述叶片；

37、利用沃罗诺伊图算法，将节点映射到划分曲线上，生成沃罗诺伊图节点，所述节点之间通过柔性管道连接成封闭的循环回路形成仿生管网；

38、在cad软件内读取所述节点的中心坐标，然后输入matlab软件进行处理；

39、根据所述叶片不同位置的弦长和偏移情况，生成相应的网格：即所述叶根处生成六边形网格，所述叶中生成接近四边形的网格，所述叶尖处生成锥形网格；

40、在减振率最高的区域设置储液腔，所述减振率最高的区域具体为所述叶尖和所述翼型中部。

41、采用上述改进方案的有益效果为：通过二次函数拟合展向与弦向位置的减振率数据，形成连续的减振率曲线。这些曲线直观展示了叶片各部位的减振需求强度，为设计减振装置的分布、容量及控制策略提供精确指导，有助于实现减振效果的最大化。

42、利用voronoi图生成技术根据减振率曲线确定装置在叶片展向及弦向的节点分布。这种方法模仿自然界的高效减振机制，设计出与叶片减振需求相匹配的液体循环装置布局，提高减振效果，降低风力发电系统的振动损耗。

43、进一步的，所述步骤s50具体包括：

44、获取所述储液腔位置以及所述仿生液体循环装置的其它部分的仿生管网；

45、在设定的风速条件下进行实验；

46、分别对仿生管网、储液腔、仿生管网加储液腔的仿生叶片以及原始叶片进行谐响应分析，得到响应随频率变化的情况；

47、在原始叶片的一阶固有频率处，进行仿生管网液体循环；

48、进行结果验证：仿生管网加储液腔的抑颤效果优于单独的仿生管网或储液腔。

49、采用上述改进方案的有益效果为：通过叶片内部的仿生液体循环装置实现减振优化，提高系统整体运行的稳定性和效率。这种系统设计兼顾了风能捕获与设备保护，有助于降低运维成本，提升风力发电的经济性和环境友好性。

50、进一步的，所述叶片展向与叶片弦向长度的比值为4.2：1，所述网格包括叶片展向网格与叶片弦向网格，所述叶片展向网格与叶片弦向网格的比值为3.3：1。

51、叶片展向和弦向的节点数量比以蜻蜓翅膀为参考。蜻蜓翅膀的最大展向与弦向长度的比值为4.2：1，展向网格与弦向网格的比值约为3.3：1。

52、与现有技术相比较，本发明提供的一种风电叶片颤振抑制的仿生液体循环装置及其建立方法的有益效果是：通过仿生管网在叶片内部的布置，模拟蜻蜓翅膀内的血液循环，实现颤振抑制的方法。该方法的核心原理在于动态调整叶片质量分布，以使叶片固有频率偏离颤振频率，从而有效抑制颤振现象的发生。本发明利用voronoi图跨尺度构建风力机叶片内部的仿生抑颤管网系统；

53、在这个系统中，通过精心设计和布置管网结构，可以在叶片内部形成类似于生物血液循环的液体流动路径。这种仿生设计不仅可以有效地增加叶片的质量分布均匀性，还可以引入一种动态调节机制，使得叶片在风力作用下能够更加稳定地工作。同时，通过液压控制系统在叶片不同区域的仿生管网内进行液体循环，可以实现对颤振抑制效果的动态智能调控，提高系统的适应性和稳定性；

54、与传统的抑颤结构相比，这种基于仿生管网的抑颤系统具有多方面的优势。首先，它不需要对现有叶片结构进行较大改动，只需在内部引入仿生管网抑颤系统即可，不会对叶片的空气动力学性能造成明显影响。其次，由于仿生管网系统具有较高的灵活性和智能性，可以更好地适应各种复杂的风况，提高整个风力机系统的可靠性和效率；

55、因此，基于仿生管网抑颤系统的风力机叶片设计理念具有广阔的应用前景和发展空间。通过不断的优化和改进，相信这种创新的设计理念将为风力发电领域带来更多的技术突破和发展机遇。