大型风力机复合材料叶片铺层设计及结构特性研究.pdf

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1、试验研究现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）２０１４年第３期倡大型风力机复合材料叶片铺层设计及结构特性研究李志敏，李春，高伟，武玉龙（上海理工大学能源与动力工程学院，上海２０００９３）摘要：近些年来，风力发电发展迅速，复合材料的设计与研制是风力发电的关键技术之一。基于复合层压板理论和有限元分析方法，对风力机复合材料叶片进行分析。利用ＡＮＳＹＳ软件中壳单元模拟叶片铺层，然后对铺层叶片进行强度分析和模态分析。通过叶片质量、重心等计算值与实测值的比较，证明了所提

2、出的铺层设计方法的合理性。分析比较了ｆｌａｐｗｉｓｅ和ｅｄｇｅｗｉｓｅ两个方向的不同变形，为叶片铺层优化工作提供了依据。关键词：叶片；复合材料；铺层；结构分析中图分类号：ＴＰ３９１文献标志码：Ａ文章编号：１６７１—３１３３（２０１４）０３—０００５—０５Researchonlay-updesignandstructuralanalysisoflarge-scalecompositewindturbinebladesＬｉＺｈｉｍｉｎ，ＬｉＣｈｕｎ，ＧａｏＷｅｉ，ＷｕＹｕｌｏｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥ

3、ｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ｔｈｅｗｉｎｄｐｏｗｅｒｄｅｖｅｌｏｐｓｒａｐｉｄｌｙｉｎｔｈｅｓｅｙｅａｒｓ．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄｓｔｕｄｙｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒ-ｔａｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｗｉｎｄｐｏｗｅｒ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａ

4、ｔｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｓｈｅｌｌｅｌｅｍｅｎｔｉｎＡＮＳＹＳｉｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｂｌａｄｅｌａｙ-ｕｐ，ａｎｄｃｏｍｐｌｅｔｅｉｔｓｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｍａｓｓ，ｃｅｎ

5、ｔｅｒｏｆｇｒａｖｉｔｙｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｂｌａｄｅｌａｙ-ｕｐｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎｆｌａｐ-ｗｉｓｅａｎｄｅｄｇｅｗｉｓｅｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｂｌａｄｅｌａｙ-ｕｐｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Keywords：ｂｌａｄｅ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｌａｙ-ｕｐ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ采用高强度、高模量和低密度的各向异性材料。０引言

6、目前，大型风力机叶片普遍采用纤维增强聚合物随着全球风电工业的迅速发展，风力机尺寸也随基复合材料。由于纤维和基体的性能差异较大，使得之快速增长，按世界风能协会（ＧｌｏｂａｌＷｉｎｄＥｎｅｒｇｙ在单层复合材料层内，沿纤维方向的性能和垂直纤维［２］Ｃｏｕｎｃｉｌ，ＧＷＥＣ）统计，现代风力机尺寸是２０世纪８０方向的性能差异很大，形成了正交各向异性性能。年代的１００倍，风力机风轮直径增加了８倍，叶片长度将单层复合材料按一定叠放次序层层铺设而成的薄［１］已超过６０ｍ。而风力发电装置中最核心、最关键的壳结构就

7、是叶片的铺层结构。铺层设计在复合材料部分为叶片，材料的选择对于叶片设计至关重要，它结构设计中尤为重要，其在风力机中的应用有效改善直接影响了风力发电装置的性能和功率，也决定了风了叶片的强度和刚度。［３］力发电的成本。叶片设计需考虑其固有频率，以防止Ｂｉｒ和Ｍｉｇｌｉｏｒｅ提出基于欧拉伯努利梁理论铺它和风力机其他部件的固有频率相同，同时要求叶片层结构的初步设计方法，通过分析有限元模型发现，的固有频率不能与转速激振或主次谐波重合，避免发该方法获得的铺层结构在叶根处不满足实际强度要［４］生共振。复合材料

8、可改变纤维方向和含量，使其各方求。李成良等人利用有限元商用软件ＡＮＳＹＳ，选用向的弹性模量和强度不同，从而调整叶片固有频率，Ｓｈｅｌｌ９１和Ｓｈｅｌｌ９９复合材料壳单元，利用实常数面赋［５］所以本文叶片材料选取复合材料。为了在减小叶片值法来定义复合材料铺层结构。ＸＷａｎｇ等人针对自重的同时保证其具有足够的强度和刚度，叶片大多叶片危险区域，比较分析了单轴纤维铺层含量、铺层数倡国家自然科学基金项目（Ｅ５１１７６１２９）；上海市教委科研创新（重点）资助项目（１３ＺＺ１２０）５２０１４年第３期现代制造工