竹层积材在大型风力机叶片设计中的应用研究

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1、应用数学和力学，第３４卷第１０期ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ２０１３年１０月１５日出版Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔ．１５，２０１３文章编号：１０００⁃０８８７（２０１３）１０⁃１０４０⁃０８ⓒ应用数学和力学编委会，ＩＳＳＮ１０００⁃０８８７竹层积材在大型风力机叶片∗设计中的应用研究１２１王珑，李慧，王同光（１．南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室，南京２１００１６；２．无锡风电设计研究院有限公司，江苏无锡２１４１７４）摘要：从大型风力机竹叶片设计的材料及结构角度出发，首先简要介绍了作为竹叶片主增加材料———

2、竹层积材的力学性能实验及其基本的力学特性．随后基于这些性能数据，给出了一种常规形式的１．５ＭＷ竹叶片的气动和结构设计方法，并重点阐述了竹叶片的结构铺层方法和关键的技术细节，最后简要概述了目前竹叶片设计还需要解决的技术问题．关键词：竹叶片；竹层积材；力学性能试验中图分类号：ＴＭ６１４；Ｏ３４６文献标志码：ＡＤＯＩ：１０．３８７９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００⁃０８８７．２０１３．１０．００４引言目前，兆瓦级陆上大型风力机叶片的成本约占整机的２０％～３０％．因此，研究和寻找成本更低、更加环保的新型叶片材料对降低风力发电成本和提高风电竞争力有着重要的意义．目前，大型风力

3、机叶片主流是比强度高、热稳定性好、抗疲劳和抗冲击性能优良、可设计性强的玻璃纤维复合材料，其主要增强材料为无碱玻璃纤维（简称玻纤），基体通常采用不饱和聚酯树［１］脂（ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｐｏｌｙｅｓｔｅｒｒｅｓｉｎ，ＵＰＲ）或环氧树脂（ｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎ，ＥＰＲ）．此外，增强材料还可选用碳纤维、木⁃环氧和竹材．玻纤的化学性能、物理性能和力学性能稳定，但其难以降解，回收困难，且成本降低空间有限．碳纤维具有强度大、密度低、力学性能比玻璃纤维更加优异等优势，［２］但价格过高，限制了其在叶片中的使用．木⁃环氧主要是基于芬兰桦木，且该技术为Ｖｅｓｔａｓ专２有，中国缺

4、少实施条件和基础．中国的竹林面积约有８００万ｈｍ，占世界竹林总面积的４０％，资源充足，且我国的竹材拥有比木材更好的力学性能．如果竹层积材结构及其竹叶片设计合理，可较大地降低成本，且便于降解回收，适合多种规格风电机组产品的设计应用．因此在日益关∗收稿日期：２０１３⁃０４⁃２３；修订日期：２０１３⁃０９⁃０６基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）（２０１４ＣＢ０４６２００）；中央高校基本科研业务费专项资金（ＮＰ２０１２１０２；ＮＪ２０１３０００７；ＮＪ２０１３０００８；ＮＪ２０１３０００９）；江苏高校优势学科建设工程资助项目作者简介：王珑（１９８２—）

5、，男，江苏淮安人，博士生（Ｔｅｌ：＋８６⁃２５⁃８４８９２０６９；Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗｌ２００７＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ）；王同光（１９６２—），男，博士，教授（通讯作者．Ｔｅｌ：＋８６⁃２５⁃８４８９６１３８；Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｔｇｗａｎｇ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ）．１０４０王珑李慧王同光１０４１注环境保护的今天，大型风力机竹叶片的研究具有很高的经济和环保价值，并有望成为我国新一代风力机叶片制造的重要主材之一．本文首先从竹叶片主增强材料———竹层积材的力学性能实验出发，探讨了竹层积材力学性能的基本特征．以此为基础，开展了１．５ＭＷ大型风力机竹叶片的结构设计，介绍了

6、其结构铺层中的一些关键技术，最后还简要地总结了目前竹叶片研究中的一些技术难点及其研究方向．１竹层积材的力学性能实验大型风力机竹叶片采用经过特殊工艺处理的竹层积材作为主增强材料．竹层积材是由竹龄为４～７年的中段竹子加工成多层厚度非常薄、性能优良的竹篾，采用特殊工艺压制成型，并按照要求制作成不同规格的形式．与玻璃纤维的力学性能需求相同，竹层积材作为大型风力机叶片主要承力构件的主材，承受拉伸和压缩载荷作用，其密度和含胶量等物理性能，各向异性的强度、刚度、Ｐｏｓｓｉｏｎ比等静力学性能，疲劳性能以及竹叶片特有的斜接竹材的性能，都需要严格按照标准的测试规范来获取．为了获

7、取这些性能的数据，本文选取了长度５００～２０００ｍｍ，宽度５～２２ｍｍ，厚度１～３ｍｍ的竹片，并压制成厚度为２０～５０ｍｍ的竹层积材，用来制作力学性能实验的试件．１．１静力学性能竹层积材静力学性能试验主要包括拉伸和压缩试验，并分别严格按照层合板结构抗拉试验方法测试标准（ＡＳＴＭＤ３５００⁃２００３）和层合板结构压缩试验方法测试标准（ＡＳＴＭＤ３５０１⁃２００５）的要求完成，拉伸和压缩后部分试验件如图１所示．（ａ）拉伸方向（ｂ）压缩方向（ａ）Ａｆｔｅｒｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ（ｂ）Ａｆｔｅｒｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ图１竹层积材性能实验的试件Ｆｉｇ．１Ｓｐｅｃｉｍｅｎ

8、ｓｏｆｂａｍｂｏｏ⁃ｂａｓｅｄｌａｍｉｎａｔｅｓｆｏ