基于CFD的风机叶片修复机器人结构设计及优化

风场对风机叶片修复机器人高空作业时的稳定性产生直接影响。本文提出了一种面向高空作业的风机叶片修复机器人结构设计方案，并根据风场分析结果对其部分结构进行优化。首先建立了修复机器人的三维结构模型。其次根据高空修复作业环境，结合CFD软件对修复机器人在不同风场下的力学特性进行有限元分析，得出风场对修复机器人吸附稳定性影响较大的区域在吸盘连杆处。最后根据上述分析结果针对修复机器人主体及吸盘进行优化设计和仿真分析。通过对比优化前后的分析结果，可以证实机器人主体及吸盘优化结果的有效性和可靠性，为风机叶片修复机器人设计提供理论依据。

随着全球对于清洁能源需求的迅速增长，风能发电作为最具潜力的可再生能源之一，已经成为了现代能源生产中不可或缺的重要组成部分[1]。中国风电产业发展迅速，目前拥有全球最大的风电装机容量和风电发电量。

截至2022 年， 中国已经建成的风电装机容量超过了2.3 亿千瓦， 占全球总装机容量的38%左右[2]。叶片作为风力发电机的关键部件，其安全可靠的工作是整个风电机组能够稳定运行的核心。然而，由于风电机组受实际工作环境如风沙、低温结冰等问题的影响，表面易出现裂纹、点蚀、涂层破损等损伤，进而使得叶片气动性能下降、产生噪音和振动等问题[3]。并且叶片损伤处在雨雪作用后极易受到闪电雷击的破坏，连续作用下造成叶片破裂或断裂酿成叶片事故[4] [5] [6]。因此，对风机叶片及时有效的检测和修复是风电机组运行维护的重中之重。

当前，国内外学者致力于研究风机叶片损伤检测机器人以代替传统人工检测，相关学者研发出了框架式机器人、轮式及履带式机器人和无人机检测等方法[7]。最早的框架式风机叶片检测机器人是德国Fraunhofer 研究所研制出的RIWEA 机器人[8]，其结构主要包括机身框架，升降装置和检测装置。机身框架套在风机叶片上，通过绳索与升降装置实现机器人整体移动，其框架前端可以打开，从而能够在不同的风机叶片上进行检测。

王斌锐等人[9]设计了一种应用于曲面攀爬的真空吸附式双足机器人， 主要结构包括三自由度旋转装置以及吸附足装置。机器人利用电机带动旋转装置，结合两吸附足不断交替吸附，实现双足机器人在曲面攀爬。

GE 公司[10]研发了一种风扇式履带攀爬机器人， 主要结构包括吸附装置， 移动机构以及机械臂。

其通过吸附装置中的离心式风扇高速转动产生负压，从而使机器人稳定吸附在风机叶片表面，通过履带移动机构实现整体移动。Jung 等人[11]提出了无人机检测风机叶片方式。机器人利用无人机携带检测装置，通过4 个旋翼产生的推力使装置缓慢靠近风机叶片，最后停靠在风机叶片表面。目前，应用于风机叶片的机器人多数是检测机器人，没有修复机器人应用在风机叶片维护领域。