能源和環境是當今人類生存和發展急需解決的緊迫問題。風力發電作為可再生的清潔能源受到世界各國政府、能源界和環保界的高度重視。人類利用風能已有3千年的歷史了。在公元1000年左右，中國的西藏就出現了水平軸的風車。到19世紀末，歐洲出現R=25m的風車；1941年，丹麥制造了世紀第一臺現代風車。但由于煤、石油的開采，人們可以獲得廉價的能源，風力發電漸漸淡出人們的視線。直到1973年，爆發的世界能源危機，世界又重新重視風能。隨后，風電開始迅速發展。目前，風電已經成為世界能源的主要成員。

 

  我國是世界風能資源較為豐富的國家之一。資料顯示，我國10m高度的風能資源達到32.26億KW，其中可利用的風能約2.53億，占7.84%。從中國再生能源獲悉，2010年中國新增風電裝機容量達1300萬kw，增量位居世界首位。中國可再生能源學會副理事長施鵬飛表示，截至2010年底，中國風電裝機容量已逾4000萬kw，與美國幾乎持平；而在2009 年底，這一數值僅為2500萬kw。2006~2009 年，中國風電裝機容量已經連續4年實現翻番增長。預計2011年我國風電裝機有望增長57%，爭取并網累計達到5500萬kw。圖1和圖2分別為世界風電和我國風電增長速度。

 

 

  新的風力機設計理論認為未來葉片設計的關鍵已從效率最大化轉移到能量成本（COE）最優化 。因此，風力機葉片向著大型化、細長化發展。現在兆瓦級的風力發電機葉片的長度都達到了30米以上，其中Vestas公司V112-3.0MW風力發電機的葉片達到了55米。大尺寸的葉片受到復雜載荷的作用，因此要保持自身的結構和氣彈性的穩定從而對材料性能的要求很高。經過多年的發展，葉片的材料由木材和帆布發展到金屬再到玻璃纖維復合材料和碳纖維復合材料。其中新型玻璃鋼葉片材料因為其比強度和比剛度上的優越性以及其耐腐蝕、耐高溫、易成型及格較便宜等優點成為了風力機葉片的主流材料；另外，碳鋼混搭，即碳纖維和玻璃纖維混合技術，使得葉片在較低成本的基礎上擁有較好的性能。此外開發新的生物質復合材料在大型葉片中的應用將成為一個重要的研究方向 。

 

 

  目前兆瓦級的葉片尺寸都達到了30米以上， 因此在復雜氣動載荷、彈性力和慣性力的作用下葉片會發生振顫。其中，氣彈耦合經典振顫和失速振顫是現在大型柔性葉片最常見、最危害的 。當葉片的振顫頻率與其固有頻率相近或相同時，葉片會產生災難性的振顫；另外，葉片在失速情況下，葉片的氣動阻尼可能變為負阻尼，即使是較小的負氣動阻尼也能引起發散的葉片振動，從而導致葉片損壞。

 

  葉片的振顫會影響風力機的工作狀態，限制風力機的輸出功率，還會產生氣動噪聲，更重要的是會對葉片造成災難性的損害。葉片的空氣噪聲是風力機噪聲的主要源，雖然葉片的氣動噪聲聽起來更自然些 ，但現代風力機的設計要求有較低的噪聲和較高的功率輸出。葉片空氣噪聲的減少可以通過合理的設計和加工來實現。
 

 

  葉片振顫的交變應力會使葉片產生疲勞裂紋，從而導致葉片的受損。世界風能協會統計數據顯示，自70年代至今，世界風力機事故總數為1093件，其中由葉片損害導致的事故有220 件，占20.1%，見圖3。圖4為由葉片振顫引起的葉片斷裂。由此可見，葉片的抑顫技術是現在大型風力機設計亟待解決的問題之一。

 

  4、風力機葉片抑顫技術的發展

 

  隨著風力機葉片發展的大型化，葉片的抑顫技術越來越受到人們的重視。近幾年國內外學者對葉片的抑顫技術做了很多研究，總結起來主要有氣動抑顫技術和額外阻尼技術。

 

  4.1 氣動抑顫技術

 

  風力機葉片在運行過程中受到氣動力、彈性力和慣性力，這三種力的耦合作用導致葉片的不穩定進而失效。因此葉片的氣動穩定性一直是人們關注的研究課題。研究者大都把葉片簡化為一端固定，一端自由的懸臂梁來分析研究葉片的氣動穩定性。Jung-Hun Park等人 利用多體動力學原理建立了梁結構的線性運動方程（equation of motion，EOM），從而求解出梁的固有頻率，經過數值分析得出，固有頻率隨著轉動速度的變化而變化。Mark Richardson等人 從葉片的前8階模態分析表明葉片的模態會受到葉片本身裂紋的影響；另外，模態的改變會明顯引起嚴重的開裂。Hodges和Dowell 建立了預彎曲旋轉梁的動力學方程，并由此建立了旋轉梁的混合變分公式。該模型可以用于風力機葉片的動力學有限元分析，并在葉片的氣彈穩定性分析中得到了廣泛的應用 - 。T.K.Barlas，G.A.M.van Kuik等人 提出了智能葉片的概念，在葉片的后緣邊增加控制小翼如圖5，采用一定控制策略調整小翼從而控制葉片的氣彈穩定性。

 

  4.2 額外阻尼技術

 

  風力機葉片在運行過程中存在氣動阻尼和結構阻尼。任勇生，林學海12利用ONERA模型分析了風力機葉片動力失速非線性氣彈性的穩定性，研究表明，結構阻尼可以有效抑制葉片的振顫。因此給葉片施加額外的阻尼是抑制葉片振顫的一種有效的方法。目前大型葉片的都是用復合材料制成，因此從復合材料的角度出發增加葉片結構阻尼是一種有效的方法。Rehfield13 研究了復合材料薄壁葉片的設計分析理論， 為復合材料葉片的分析提供了理論基礎。Chandra和Chopra14分別從實驗和理論的角度研究了旋轉復合材料梁的振動特性。Smith和Chopra15 分析了復合材料薄壁梁的氣彈性響應、載荷及其穩定性，而Song和Librescu16研究了各向異性復合材料薄壁梁的自由振動。另外，Stemple和Lee17用有限元法研究了任意橫截面的復合材料梁在大變形條件下特性。這些都為從復合材料角度提高葉片結構阻尼提供理論和實驗基礎。C.Anderson等人18提出使用調諧減振器降低葉片振動，并在某一安裝了調諧吸振器的失速型風力機上做了相應的測試，結果表明， 該風力機葉片的振動被明顯的控制了。有些學者也采用質量調諧阻尼器對葉片進行被動控制，以降低因動態不平衡而產生的激振力，從而達到抑振的效果。

 

 

  4.3 智能主動控制

 

  近年來智能主動控制成為振動控制領域國內外學者研究的熱門課題。智能主動控制是需要外部的能源供給，其作用可以與系統運動相關，也可以獨立于系統。選擇不同的控制參數就可以實現不同的控制策略，比如使振動減小或使振動增大甚至使系統失穩。最常用的是閉環反饋控制系統（如圖6），該系統的振動狀態通過傳感器傳給控制中樞，控制中樞通過設定好的控制參數把控制信號發給作動器進行振動控制。

 

 

  常用的智能材料有電（磁）致伸縮材料、壓電材料、電（磁）流體和形狀記憶合金等。壓電材料是目前應用比較廣泛的智能材料，因為它具有正壓電效應和反壓電效應，從而能夠自感知，自調節，另外壓電材料還有高頻寬，易成型，便于粘貼于主體結構表面的優良特性。壓電材料最早用于衛星構件的振動控制研究。目前將壓電材料作為感應器和作動器埋入材料層中進行振動控制已經成功應用于航天船舶和車輛領域。黃海等人19 針對板殼型自適應結構研究了壓電材料作為作動器的自適應振動控制。陳定中等人20將車廂壁面的振動轉化為簡支平板的振動模型，采用壓電片作為傳感器和作動器，利用有限元法和模態控制法結合起來分析了車廂壁面的振動。結果表明，利用壓電材料可以有效控制車廂壁面的振動。徐志偉等人21基于壓電陶瓷變壓器設立了一種小型化的振動控制系統， 并以飛機垂直尾翼模型為控制對象進行了實驗。實驗表明該控制器實現了對模型的兩階主要振型的主動控制。文獻22利用埋入的壓電材料作為作動器，前掠矩形薄壁梁機翼的發散速度提高了近4倍，并且在亞臨界速度內機翼的彈性變形得到了控制。Giurgiutiu23介紹了壓電晶片傳感器在航空航天領域的應用，Suleman24 等對壓電致動器用于飛機的氣彈性振動控制的可行性進行了研究。Hansson25等研究了壓電單元用于火車體的豎向彈性振動控制。Kozek26 等基于粘貼于車底部的壓電致動器產生的彎矩實現火車運行過程中振動主動控制的目的。