复合材料风机叶片的力学性能与结构优化

摘要：小型风力发电机在运行过程中，当所受气动载荷超出叶片材料的极限载荷时，就会发生叶片失效现象。等截面小型风机叶片，除翼型可优化设计外，复合材料的可设计性也是优化设计的重要方面。本文对离网型等截面风机叶片的力学性能进行了研究，并根据叶片受力情况提出了增强叶片强度的优化设计方案。

关键词：风机叶片；力学性能；优化；复合材料；单向纤维

中图分类号：TB332 文献标志码：A

Structural Optimization of Composite Wind Turbine Blade

Abstract： Small wind turbine blade is going to fail when the aerodynamic load in the operation exceeds its ultimate load. For small wind turbine blade with uniform cross section， its composite material can also be designed to optimize the blade’s performance. In this paper， the mechanical properties of a stand-alone wind turbine blade with uniform cross section were studied. Besides， based on analyzing the force condition of wind turbine blade， a solution to improve its performance was put forward.

Key words： wind turbines blade； mechanical property； optimization； composite material； unidirectional fiber

小型风机叶片的材料是单向纤维复合材料，等截面小型风机叶片，除翼型可以优化设计外，复合材料的可设计性也是优化设计的重要方面。

玻璃纤维环氧树脂复合材料的优化设计除了结构形状的优化设计外，还必须注意纤维的分布、种类和环氧树脂种类的优化设计。因此，复合材料的优化设计既有结构优化设计，又有材料优化设计，即复合材料优化设计具有更多的设计自由度，更多的设计变量。

小型风力发电机在运行过程中由于受到气动载荷、重力载荷、惯性载荷等的影响，当所受气动载荷超出叶片材料的极限载荷时，就会发生叶片失效现象。本文结合复合材料可设计的特点，对叶片进行宏观力学性能分析，为单向复合材料的制作提供设计依据。

1 离网型等截面风机叶片的力学性能优化

1.1 小型风机叶片的静力学分析

叶片在制造、试验和使用过程中可能产生 4 类损伤，即基体开裂、界面脱粘、脱层（即层间开裂）和纤维断裂。

可以假想叶片为一悬臂梁，它承受着空气动力、重力、惯性力等，叶片失效大多发生在叶片根部。重力使叶片承受拉压弯曲和扭转；离心力在叶片中产生拉伸应力和扭转应力；空气动力在叶片中产生弯曲应力和扭转应力。

叶片的静力试验是以设计载荷值为基础的，其材料特性如表 1 所示。在进行这一试验时，应特别验证分析时确定的最大载荷区域，且不允许有局部失稳和变形。进行叶片试验时，最少应确定叶片在50%和100%载荷下的变形，并同计算值进行比较。同时也应测定叶片挥舞方向的一阶固有频率、质量和重心。

图 1 为风力机叶片在约束及载荷下的变形。对等截面风机叶片进行根部约束，然后施加力载荷，计算结果如图 2所示。

由图 1 可见，在根部约束的条件下，叶片朝气流方向发生弯曲。图 2 为风力机叶片总体的位移分布云图，由图可见，在Z方向上，发生位移最大的部位为叶尖红色区域，其最大位移量为56.704 mm。相对于整个叶片尺寸，该变形量并不大。因此，在风力载荷下，叶片在极限载荷时未必断裂。

图 3 为叶片的Von Mises应力分布云图，由图可见，叶片靠近根部处受拉应力，最大拉应力出现在靠近叶根处，其值为2.91 MPa，其最大值小于工作温度下材料的许用应力，即在安全范围之内，可符合强度要求。

1.2 小型风机叶片的模态分析本文分析了五阶模态，其特性如表 2 所示。

如图 4 — 图 8 所示，叶片一阶至五阶振型表现为弯曲振型，故弯曲振动是叶片的主要振动。弯曲振动通常是挥舞振动和摆振的复合弯曲振型，但其中挥舞振型占主要成分，摆振振型较小，作用效果较小，故叶片的主要振动表现为挥舞振动。振动过程中的能量主要集中在第一、二阶，表现为挥舞弯曲振动，而扭转振动较小。叶片旋转过程中的固有频率是整个系统耦合后的固有频率，与静止情况下单个叶片的固有频率有所不同，但一般不大。

2 优化分析结果指导拉挤生产工艺

2.1 纤维种类的改变

通过力学性能分析和优化结果可知，失效位置多为叶片根部同螺栓连接处，通过纤维复合材料的可设计性及拉挤工艺的特点，可在叶片的内部混杂排列一些碳纤维，如图9 所示，以提高其性能。

如图10所示，通过根据naca6312截面翼型设计加工的导纱定位打孔钢板，将具有不同性能的纤维增强体准确混杂排列。

通过部分纤维种类的改变，可使碳纤维起到加强筋的作用，使叶片强度增强，解决单一纤维增强复合材料的弊端。 2.2 纤维分布的改变

通过应力云图可知，叶片纵向中心处的承载载荷比较大。如图11所示，可以在中心处将纤维的分布密度变大，增强中心易断裂处的强度，从而起到提高整体强度的作用。

3 结论

本文针对小型风机叶片的有限元模拟分析，通过静力学模拟和模态分析，得出风机叶片的主要失效位置在叶片根部；小型风机叶片的一阶、三阶振型符合规范。通过有限元对单向复合材料的弹性常数的模拟分析，虽然高纤维含量（

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作者简介：邱 莉，女，1979年生，主要从事针织及复合材料方面的研究与教学工作。

作者单位：内蒙古工业大学轻工与纺织学院。