復合材料風機葉片的力學性能與結構優化 zund L-1200-Synthetics台中切割加工－何昆喜焦點新聞熱搜

　　摘　要：小型風力發電機在運行過程中，當所受氣動載荷超出葉片材料的極限載荷時，就會發生葉片失效現象。等截面小型風機葉片，除翼型可優化設計外，復合材料的可設計性也是優化設計的重要方面。本文對離網型等截面風機葉片的力學性能進行了研究，并根據葉片受力情況提出了增強葉片強度的優化設計方案。
　　關鍵詞：風機葉片；力學性能；優化；復合材料；單向纖維
　　小型風機葉片的材料是單向纖維復合材料，等截面小型風機葉片，除翼型可以優化設計外，復合材料的可設計性也是優化設計的重要方面。
　　玻璃纖維環氧樹脂復合材料的優化設計除了結構形狀的優化設計外，還必須注意纖維的分布、種類和環氧樹脂種類的優化設計。因此，復合材料的優化設計既有結構優化設計，又有材料優化設計，即復合材料優化設計具有更多的設計自由度，更多的設計變量。
　　小型風力發電機在運行過程中由于受到氣動載荷、重力載荷、慣性載荷等的影響，當所受氣動載荷超出葉片材料的極限載荷時，就會發生葉片失效現象。本文結合復合材料可設計的特點，對葉片進行宏觀力學性能分析，為單向復合材料的制作提供設計依據。
　　 1 離網型等截面風機葉片的力學性能優化
　　1.1 小型風機葉片的靜力學分析
　　葉片在制造、試驗和使用過程中可能產生 4 類損傷，即基體開裂、界面脫粘、脫層（即層間開裂）和纖維斷裂。
　　可以假想葉片為一懸臂梁，它承受著空氣動力、重力、慣性力等，葉片失效大多發生在葉片根部。重力使葉片承受拉壓彎曲和扭轉；離心力在葉片中產生拉伸應力和扭轉應力；空氣動力在葉片中產生彎曲應力和扭轉應力。
　　葉片的靜力試驗是以設計載荷值為基礎的，其材料特性如表 1 所示。在進行這一試驗時，應特別驗證分析時確定的大載荷區域，且不允許有局部失穩和變形。進行葉片試驗時，少應確定葉片在50%和100%載荷下的變形，并同計算值進行比較。同時也應測定葉片揮舞方向的一階固有頻率、質量和重心。
　　圖 1 為風力機葉片在約束及載荷下的變形。對等截面風機葉片進行根部約束，然后施加力載荷，計算結果如圖 2所示。
　　由圖 1 可見，在根部約束的條件下，葉片朝氣流方向發生彎曲。圖 2 為風力機葉片總體的位移分布云圖，由圖可見，在Z方向上，發生位移大的部位為葉尖紅色區域，其大位移量為56.704 mm。相對于整個葉片尺寸，該變形量并不大。因此，在風力載荷下，葉片在極限載荷時未必斷裂。
　　圖 3 為葉片的Von Mises應力分布云圖，由圖可見，葉片靠近根部處受拉應力，大拉應力出現在靠近葉根處，其值為2.91 MPa，其大值小于工作溫度下材料的許用應力，即在安全范圍之內，可符合強度要求。
　　1.2 小型風機葉片的模態分析本文分析了五階模態，其特性如表 2 所示。
　　如圖 4 ― 圖 8 所示，葉片一階至五階振型表現為彎曲振型，故彎曲振動是葉片的主要振動。彎曲振動通常是揮舞振動和擺振的復合彎曲振型，但其中揮舞振型占主要成分，擺振振型較小，作用效果較小，故葉片的主要振動表現為揮舞振動。振動過程中的能量主要集中在、二階，表現為揮舞彎曲振動，而扭轉振動較小。葉片旋轉過程中的固有頻率是整個系統耦合后的固有頻率，與靜止情況下單個葉片的固有頻率有所不同，但一般不大。
　　 2 優化分析結果指導拉擠生產工藝
　　2.1 纖維種類的改變
　　通過力學性能分析和優化結果可知，失效位置多為葉片根部同螺栓連接處，通過纖維復合材料的可設計性及拉擠工藝的特點，可在葉片的內部混雜排列一些碳纖維，如圖9 所示，以提高其性能。
　　如圖10所示，通過根據naca6312截面翼型設計加工的導紗定位打孔鋼板，將具有不同性能的纖維增強體準確混雜排列。
　　通過部分纖維種類的改變，可使碳纖維起到加強筋的作用，使葉片強度增強，解決單一纖維增強復合材料的弊端。 2.2 纖維分布的改變
　　通過應力云圖可知，葉片縱向中心處的承載載荷比較大。如圖11所示，可以在中心處將纖維的分布密度變大，增強中心易斷裂處的強度，從而起到提高整體強度的作用。
　　 3 結論
　　本文針對小型風機葉片的有限元模擬分析，通過靜力學模擬和模態分析，得出風機葉片的主要失效位置在葉片根部；小型風機葉片的一階、三階振型符合規范。通過有限元對單向復合材料的彈性常數的模擬分析，雖然高纖維含量（<75%）可以增強材料的強度，但是從經濟性及整機的壽命考慮，要充分利用復合材料可設計性的特點，滿足極限載荷條件。

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