鋪層參數對風力機葉片結構性能的影響分析

摘 要：復合纖維風力機葉片鋪層結構復雜，其性能隨鋪層角度、鋪層順序和鋪層厚度的不同而變化。為了優化鋪層方案，論文研究了鋪層參數對復合纖維風力機葉片靜態結構性能的影響。以某MW級風力機葉片葉中段0-2/3段為對象，建立其有限元模型；采用雙因素變量法分析鋪層參數對葉片的性能影響，即設計典型鋪層方案，以鋪層順序為定量，同時改變鋪層角度和各鋪層角度的比例，得出葉片具有良好性能的鋪放參數。優化原有設計方案，結果表明改進后葉片的最大失效因子及最大位移明顯降低，驗證了所得結論的正確性。

關鍵詞：鋪層參數；靜態性能影響；鋪層優化；風力機葉片；復合纖維

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.220

0 引言

風力機葉片的受力情況十分復雜，承擔了大部分動態和靜態載荷，其結構性能對風力機的穩定運行起著非常重要的作用。為了提高其性能和質量，復合材料風力機葉片采用鋪放和樹脂浸透等成型工藝制造[1]。風力機葉片的性能取決于其鋪層結構。葉片結構由承載層和夾芯復合而成，而承載層又由纖維層多方向鋪設合成。在鋪層結構設計中，除了綜合考慮鋪層原則、鋪放工藝，還要使鋪層結構適應葉片的承載情況。為使纖維軸向高剛強度的特性得以最大化利用，要求鋪層的纖維軸線應與構件所受的拉壓方向一致[2]。合理的鋪層結構設計，是葉片在各種風載情況下性能得以保證的前提。

論文基于風力機葉片復雜的氣動外形、承載情況及非等厚度鋪層結構，探討風力機葉片的有限元建模和鋪層結構設計；研究鋪層參數對葉片靜態結構性能的影響。

1 有限元模型的建立

大型風力機葉片在運行中最大應力集中部位主要出現在葉中段1/3-2/3處，論文中采用某公司的成熟葉片改進后加以分析，取距葉根28.75m的一段為研究對象，建立其有限元模型。葉片有限元模型如圖1所示。

2 風力機葉片強度校核準則

復合材料的性能受多指標約束，Tsai-Wu強度失效準則引入材料影響系數F12，綜合考慮了外力作用及材料中各應力之間的影響。對不同應力狀態的復合材料破壞可正確預測[3]。

3 鋪層參數對葉片靜態結構性能的影響分析

3.1 鋪層原則

復合材料層合板的鋪層設計應該綜合考慮強度、剛度、結構穩定性等方面的要求，達到提高層合板承載能力的目的。鋪層設計應遵循以下原則：

（1）鋪層定向原則（2）均衡對稱鋪設原則（3）鋪層取向按承載選取原則（4）鋪層最小比例原則

3.2 基于雙因素鋪層參數對風力機葉片靜態結構性能的影響分析

由上述分析可知，根據鋪層原則設計的鋪層方案中，鋪層角度的排列順序對風力機葉片的靜態結構性能影響不大，因此，將鋪層順序作為定量，設計鋪層方案：[0°/（±θ）t/90°/（±θ）t/（±θ）t/0°/（±θ）t/90°]NT，通過同時改變鋪層角度和各鋪層角度的比例，以探討二者耦合作用下對風力機葉片性能的影響。相比較單因素變量分析法，分析二者結果的差異。（θ取值為30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°，θ所占比例為33.3%、50.0%、60.0%、66.6%、75.0%）

通過不同角度和各角度所占比例交叉組合，探討二者共同變化的情況下，對風力機葉片鋪層靜態結構性能的影響。

由圖2（a）可知，綜合考慮鋪層角度和鋪層角度所占比例對風力機葉片靜態結構性能的影響。葉片鋪層結構設計中，各鋪層角度的比例在50%-55%左右時，葉片的Tsai-Wu失效因子處于曲線低谷狀態，在66.6%-75%時Tsai-Wu失效因子處于曲線高峰狀態；相比各角度及其比例下的鋪層，采用45°各比例鋪層時，Tsai-Wu失效因子均小于相同比例的其他鋪層角度下的失效因子，且45°鋪層所占比例為60%-66%時，葉片的失效因子處于最小；分析圖6（b）可知，相同角度鋪層比例在50%-60%范圍內，葉片的位移比其他比例下的位移小；鋪層角度處于40°-50°范圍內，葉片的位移較小，其變化平緩，且在45°鋪層比例在50%-60%范圍內，葉片的位移值處于最小。

相比前人的單因素鋪層參數分析法，該方法考慮了鋪層參數的耦合影響，獲得結果更為準確。

4 風力機葉片鋪層方案優化

4.1 鋪層方案優化

風力機葉片鋪層結構合理與否直接關系到葉片的性能以及使用壽命。葉片主梁主要用于抗彎，采用0°單向纖維布鋪設；腹板主要承受剪力，以±45°纖維鋪層為主，故不再對其鋪層結構進行優化；由于蒙皮承擔部分彎曲載荷和主要扭轉載荷，其結構復雜、厚度較大；本節針對葉片蒙皮結構進行鋪層優化，確定最優鋪層方案并予以強度校核。

根據第3節鋪層參數對葉片性能影響分析結論，對原有鋪層方案予以優化。原始鋪層方案及改進方案如表1所示。

原始鋪層方案中，蒙皮部分的鋪層無0°、90°單軸向布鋪層，主要采用了雙軸向布（±45°）和三軸向布（0°，±45°）；在改進方案中，蒙皮部分的鋪層除了雙軸向布（±45°）和三軸向布（0°，±45°），并增加適量的單軸向布0°和90°鋪層，并使0°、±45°、90°鋪層分隔鋪放。

4.2 鋪層方案比較分析

對原始鋪層方案以及改進鋪層方案的葉片進行靜態結構性能分析，優化前后Tsai-Wu失效因子分布及最大位移分布如圖3-4所示。

相比風力機葉片鋪層優化前，優化后葉片的Tsai-Wu失效因子減小約23%，最大位移量減小約21%；由此表明，在葉片的蒙皮部分采用適量0°、90°鋪層，且與±45°鋪層交叉鋪放更有利于葉片性能的提高。

5 結論

綜合考慮鋪層角度和鋪層角度所占比例對風力機葉片靜態結構性能的影響。葉片鋪層結構設計中，各角度及其比例下的鋪層，采用45°各比例鋪層且45°鋪層所占比例為60%-66%時，葉片Tsai-Wu失效因子及位移量最小。相比單因素鋪層參數分析法，該方法考慮了鋪層參數的耦合影響，獲得結果更為準確。根據以上結論，優化原設計方案，結果表明改進后葉片的Tsai-Wu失效因子和最大位移明顯降低，驗證了所得結論的正確性。

參考文獻：

[1]李成良，王繼輝，薛忠民.大型風力機葉片材料的應用和發展[J].玻璃鋼/復合材料，2008（04）：49-51.

[2]安魯陵，周燚，周來水.復合材料纖維鋪放路徑規劃與絲數求解[J].航空學報，2007，28（03）：745-750.

[3]潘柏松，謝少軍，梁利華.風力機葉片葉根復合材料鋪層強度特性研究[J].太陽能學報，2012，33（05）：769-775.

作者簡介：姜勇（1987—），男，陜西子洲人、碩士，研究方向：風力機葉片鋪層結構設計。endprint