W9复合材料风电叶片技术研究

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1、复合材料风电叶片技术研究2009-11-27李军向中材科技风电叶片股份有限公司主要内容1.复合材料叶片气动设计2.复合材料叶片材料设计3.复合材料叶片结构设计4.复合材料叶片结构分析一、复合材料叶片气动设计1.基本数据：翼型数据、气动力数据、整机数据、风况等2.数学模型：复合型法（风工程与工业空气动力学）Glauert优化设计法和Wilson优化设计法（风力机设计）其他设计方法（Bladed软件设计）气动设计结构工艺设计材料气动设计结果要通过结构和工艺要求进行修正弦长扭角相对厚度绝对厚度后缘厚度3.气动设计与结构、材料、工艺关系4.叶片气动设计目标拟设计叶片截面弦长较大（LM），设计尖速比小拟

2、设计叶片截面弦长较小（Aerodyn），设计尖速比大设计尖速比范围8~10*风轮叶片风能利用系数Cp>0.48*风能利用系数Cp>0.45，要求尖速比范围较大*风场的年发电量5.实例1：1MW叶片气动外形设计额定功率/kW1000功率调节方式变速变桨距风场等级IECIIIA额定风速/m﹒s-1≤12叶片长度/m31风轮直径/m64.42叶根连接处半径/m1.21设计尖速比8.5风轮转速/rpm12-21.5切入风速/m﹒s-13.5切出风速/m﹒s-125翼型AE系列+NACA631MW叶片基本设计参数设计结果-弦长、扭转角分布设计结果-相对厚度分布设计结果-平面图性能计算及结果-GHblad

3、ed尖速比为8.4时，风能利用系数为0.4851，在尖速比为7.5-9.7范围内，风能利用系数大于0.47。轴功率曲线-GHbladed额定风速11m/s三维模型软件简介：建立叶片三维模型，采用自编的CATIA二次开发软件，输入叶片弦长、扭转角、相对厚度、前缘距离桨距轴位置、预弯即可快速、准确建立三维模型，并且能快速检查、修改叶片后缘厚度等问题。1MW叶片三维模型6.实例2：2.5MW叶片气动外形设计设计尖速比的选择：9.5叶片长度：48.8m7.实例2：2.5MW叶片气动外形设计材料、结构与工艺材料设计纤维/树脂/芯材结构设计蒙皮/主梁/腹板叶根生产工艺灌注/预侵料二、复合材料叶片材料设计A

4、原材料选择原则结构、工艺、成本B纤维选择玻璃纤维、碳纤维C芯材选择PVC、BALSAD树脂选择（热固性）环氧树脂、不饱和聚酯1原材料选择与复合材料性能B刚度的预测的确定的确定2单层性能的确定A单层树脂含量的选择纵向拉伸强度C强度的预测纵向压缩强度3复合材料层合板设计A层合板设计的一般原则铺层定向原则、顺序原则、变厚度设计原则B等代设计法层合板材料替代以满足强度或刚度C主应力设计法层合板材料主方向与主应力方向一致D层合板优化设计法满足某种约束条件使层合板质量最轻A满足连接设计和层合板设计的要求B满足强度和刚度的要求按使用载荷设计C满足复合材料失效准则的要求失效准则适用于单层D满足工艺性的要求1结

5、构设计的原则三、复合材料叶片结构设计2结构设计的基本原理承担叶片绝大部分弯曲载荷单轴布铺层主梁设计准则设计理论极限强度梁理论蒙皮腹板设计理论双轴布铺层防止单轴布层开裂提供主要剪切强度经验公式蒙皮设计理论三轴布铺层提供部分剪切强度防止叶片表面凹陷经验公式3叶片结构设计结果Sinoma叶片的外形与截面型式1.5MWSinoma40.21.0MWSinoma311材料的许用值与安全系数材料特征值材料安全系数材料许用值局部安全系数静强度分析安全系数疲劳分析安全系数四、复合材料叶片结构分析2结构模型叶片的结构坐标系（GL2003）整体有限元模型截面有限元模型叶片的有限元模型分析方法采用载荷计算软件Bla

6、ded进行载荷计算采用有限元软件ANSYS和ABAQUS进行结构分析与优化设计分析类型模态分析：固有频率与预应力模态分析变形分析：叶尖最大挠度分析静强度分析：应力-应变分析纤维失效分析：纤维方向和纤维层间失效分析稳定性分析：叶片整体与局部稳定性分析叶根螺栓连接分析：螺栓强度与螺栓寿命分析疲劳分析：叶片寿命分析3结构校核分析分析实例Sinoma31叶片结构分析Sinoma40.2叶根螺栓连接分析4结构校核分析实例模态分析一阶挥舞频率0.924HZ(55.4rpm)一阶摆振频率1.708HZ(102.5rpm)静强度分析根据bladed载荷计算报告，按照最终极限载荷对叶片进行静强度分析校核。叶片某

7、段的局部应力图该段叶片迎风面主梁(UD)应力图纤维失效分析失效准则：最大应力准则（简单直观）纤维方向失效指数垂直纤维方向失效指数纤维层间剪切失效指数纤维层粘接失效分析指数纤维方向失效分析编号截面(m)屈曲因子编号截面(m)屈曲因子11.21479.041216.711.2922.11292.471318.261.3732.76128.221419.811.4144.3114.491521.361.