鋪層參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)性能的影響分析

摘 要：復(fù)合纖維風(fēng)力機(jī)葉片鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)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(yōu)化鋪層方案，論文研究了鋪層參數(shù)對(duì)復(fù)合纖維風(fēng)力機(jī)葉片靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能的影響。以某MW級(jí)風(fēng)力機(jī)葉片葉中段0-2/3段為對(duì)象，建立其有限元模型；采用雙因素變量法分析鋪層參數(shù)對(duì)葉片的性能影響，即設(shè)計(jì)典型鋪層方案，以鋪層順序?yàn)槎?，同時(shí)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(shù)。優(yōu)化原有設(shè)計(jì)方案，結(jié)果表明改進(jìn)后葉片的最大失效因子及最大位移明顯降低，驗(yàn)證了所得結(jié)論的正確性。

關(guān)鍵詞：鋪層參數(shù)；靜態(tài)性能影響；鋪層優(yōu)化；風(fēng)力機(jī)葉片；復(fù)合纖維

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

0 引言

風(fēng)力機(jī)葉片的受力情況十分復(fù)雜，承擔(dān)了大部分動(dòng)態(tài)和靜態(tài)載荷，其結(jié)構(gòu)性能對(duì)風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行起著非常重要的作用。為了提高其性能和質(zhì)量，復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片采用鋪放和樹(shù)脂浸透等成型工藝制造[1]。風(fēng)力機(jī)葉片的性能取決于其鋪層結(jié)構(gòu)。葉片結(jié)構(gòu)由承載層和夾芯復(fù)合而成，而承載層又由纖維層多方向鋪設(shè)合成。在鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了綜合考慮鋪層原則、鋪放工藝，還要使鋪層結(jié)構(gòu)適應(yīng)葉片的承載情況。為使纖維軸向高剛強(qiáng)度的特性得以最大化利用，要求鋪層的纖維軸線應(yīng)與構(gòu)件所受的拉壓方向一致[2]。合理的鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是葉片在各種風(fēng)載情況下性能得以保證的前提。

論文基于風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)雜的氣動(dòng)外形、承載情況及非等厚度鋪層結(jié)構(gòu)，探討風(fēng)力機(jī)葉片的有限元建模和鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；研究鋪層參數(shù)對(duì)葉片靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能的影響。

1 有限元模型的建立

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

2 風(fēng)力機(jī)葉片強(qiáng)度校核準(zhǔn)則

復(fù)合材料的性能受多指標(biāo)約束，Tsai-Wu強(qiáng)度失效準(zhǔn)則引入材料影響系數(shù)F12，綜合考慮了外力作用及材料中各應(yīng)力之間的影響。對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)合材料破壞可正確預(yù)測(cè)[3]。

3 鋪層參數(shù)對(duì)葉片靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能的影響分析

3.1 鋪層原則

復(fù)合材料層合板的鋪層設(shè)計(jì)應(yīng)該綜合考慮強(qiáng)度、剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面的要求，達(dá)到提高層合板承載能力的目的。鋪層設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

（1）鋪層定向原則（2）均衡對(duì)稱鋪設(shè)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(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能的影響分析

由上述分析可知，根據(jù)鋪層原則設(shè)計(jì)的鋪層方案中，鋪層角度的排列順序?qū)︼L(fēng)力機(jī)葉片的靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能影響不大，因此，將鋪層順序作為定量，設(shè)計(jì)鋪層方案：[0°/（±θ）t/90°/（±θ）t/（±θ）t/0°/（±θ）t/90°]NT，通過(guò)同時(shí)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(duì)風(fēng)力機(jī)葉片性能的影響。相比較單因素變量分析法，分析二者結(jié)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(guò)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(duì)風(fēng)力機(jī)葉片鋪層靜態(tài)結(jié)構(gòu)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(duì)風(fēng)力機(jī)葉片靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能的影響。葉片鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，各鋪層角度的比例在50%-55%左右時(shí)，葉片的Tsai-Wu失效因子處于曲線低谷狀態(tài)，在66.6%-75%時(shí)Tsai-Wu失效因子處于曲線高峰狀態(tài)；相比各角度及其比例下的鋪層，采用45°各比例鋪層時(shí)，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(shí)，葉片的失效因子處于最??；分析圖6（b）可知，相同角度鋪層比例在50%-60%范圍內(nèi)，葉片的位移比其他比例下的位移??；鋪層角度處于40°-50°范圍內(nèi)，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(nèi)，葉片的位移值處于最小。

相比前人的單因素鋪層參數(shù)分析法，該方法考慮了鋪層參數(shù)的耦合影響，獲得結(jié)果更為準(zhǔn)確。

4 風(fēng)力機(jī)葉片鋪層方案優(yōu)化

4.1 鋪層方案優(yōu)化

風(fēng)力機(jī)葉片鋪層結(jié)構(gòu)合理與否直接關(guān)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(shè)；腹板主要承受剪力，以±45°纖維鋪層為主，故不再對(duì)其鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；由于蒙皮承擔(dān)部分彎曲載荷和主要扭轉(zhuǎn)載荷，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度較大；本節(jié)針對(duì)葉片蒙皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋪層優(yōu)化，確定最優(yōu)鋪層方案并予以強(qiáng)度校核。

根據(jù)第3節(jié)鋪層參數(shù)對(duì)葉片性能影響分析結(jié)論，對(duì)原有鋪層方案予以優(yōu)化。原始鋪層方案及改進(jìn)方案如表1所示。

原始鋪層方案中，蒙皮部分的鋪層無(wú)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(jìn)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(duì)原始鋪層方案以及改進(jìn)鋪層方案的葉片進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能分析，優(yōu)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(fēng)力機(jī)葉片鋪層優(yōu)化前，優(yōu)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(jié)論

綜合考慮鋪層角度和鋪層角度所占比例對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能的影響。葉片鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)，葉片Tsai-Wu失效因子及位移量最小。相比單因素鋪層參數(shù)分析法，該方法考慮了鋪層參數(shù)的耦合影響，獲得結(jié)果更為準(zhǔn)確。根據(jù)以上結(jié)論，優(yōu)化原設(shè)計(jì)方案，結(jié)果表明改進(jìn)后葉片的Tsai-Wu失效因子和最大位移明顯降低，驗(yàn)證了所得結(jié)論的正確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李成良，王繼輝，薛忠民.大型風(fēng)力機(jī)葉片材料的應(yīng)用和發(fā)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2008（04）：49-51.

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作者簡(jiǎn)介：姜勇（1987—），男，陜西子洲人、碩士，研究方向：風(fēng)力機(jī)葉片鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。endprint