中文摘要：

大型风力机复合材料叶片（LWTCB）非线性颤振是发展现代风力机亟待突破的瓶颈问题。迄今为止，风能领域尚未就LWTCB结构阻尼非线性颤振抑制的科学难点，提出完整的理论研究体系。本项目拟针对失速型水平轴LWTCB，以揭示结构阻尼对LWTCB非线性颤振行为的作用机理，发展有效的LWTCB结构阻尼非线性颤振抑制科学方法为目标，以先进复合材料薄壁梁非线性理论、动力失速ONERA非线性气动力以及阻尼预报理论等学科方法为指导，重点就LWTCB气弹阻尼和非线性气弹响应预测的建模和模型缩聚方法、特征值方法、时/频域算法，LWTCB模态阻尼耗散因子的细观估计原理及其重要设计参数和处置形式对非线性颤振行为的影响规律和作用效果，进行系统研究；针对LWTCB结构阻尼非线性颤振抑制研究基本理论体系，提出科学完整表征方法与评价技术，为最终实现LWTCB结构阻尼细观特性与宏观颤振性能一体化设计，增强气弹稳定性，奠定基础。

结论摘要：

本项目利用理论分析与实验测试的方法对大型风力机复合材料叶片的结构阻尼及其对非线性气弹响应作用机理进行了深入研究。基于单层混杂材料的细观力学阻尼计算方法和多胞模型、最大应变能理论、横截面2D变分渐进法（VAM）以及Hamilton原理，建立了复合材料单/双闭室复合材料薄壁梁/叶片的模态阻尼分析模型，基于Galerkin法提出了模态阻尼求解近似算法；将大攻角失速非线性ONERA气动力模型分别与弯-扭耦合以及预扭转弯-弯-扭耦合复合材料薄壁梁/叶片结构模型相结合，建立了动力失速复合材料薄壁梁/叶片的非线性气弹模型，在非线性静平衡点附近对复合材料薄壁梁/叶片非线性气弹系统进行线性化，基于特征值方法以及时域积分法估计复合材料薄壁梁/叶片的非线性颤振边界和气弹响应的稳定性。揭示了转速、纤维铺层角、预扭转角对复合材料薄壁梁/叶片非线性颤振边界的影响；在引入Von Kármán几何非线性基础上，发展了具有中等变形的复合材料薄壁梁的非线性自由振动方程，基于谐波平衡法 (HBM) 建立振幅-非线性固有频率关系方程，采用迭代算法求解非线性特征值问题。发现了几何非线性旋转复合材料薄壁梁具有硬弹簧特性以及振幅、纤维铺层角和转速对非线性振动频率特性的影响；将复合材料结构阻尼以比例阻尼形式，引入复合材料薄壁梁/叶片的非线性气弹力学分析模型，提出了具有结构阻尼的复合材料薄壁梁/叶片的气弹分析模型，研究发现结构阻尼能够有效地抑制复合材料薄壁梁/叶片的颤振，增加气弹稳定性。复合材料结构阻尼对复合材料薄壁梁/叶片扭转颤振的抑制作用是最显著的。纤维铺层角影响复合材料结构阻尼的大小，从而改变复合材料结构阻尼对复合材料薄壁梁的颤振抑制效果；将二次几何非线性引入复合材料薄壁梁/叶片气弹分析模型，研究发现，几何非线性一定程度上会导致复合材料薄壁梁/叶片模型气弹稳定性下降；采用先进的动态力学性能测试系统 (DMA)，获得了纤维增强树脂基复合材料及其组分材料阻尼性能随温度和频率的变化特征。上述研究成果将对大型风力机复合材料叶片的非线性颤振抑制应用具有指导作用。