复合材料风机叶片发展现状及成型工艺进展

复合材料风机叶片发展现状及成型工艺进展

作者：董锋岩

作者单位：武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070

1.期刊论文张春丽.黄争鸣.董国华.ZHANG Chunli.HUANG Zhengming.DONG Guohua基于非线性本构关系的复合材

料风机叶片有限元极限分析与设计-复合材料学报2007,24(2)

为了研究具有三维复杂构形的复合材料风机叶片的逐次破坏过程和极限承载能力,将复合材料细观力学非线性本构理论桥联模型与有限元软件ABAQUS通过用户子程序UGENS结合起来对风力发电机叶片结构进行极限强度分析.只需提供纤维和基体的材料性能参数、纤维体积含量以及蒙皮和增强筋的铺层数据包括铺设角、层厚和铺层数,就可预报出复合材料复杂叶片结构的整体承载能力以及叶片破坏所处的位置,为正确评估和合理设计风机叶片结构提供了一种简便有效的分析方法.以一种20 kW风机叶片为例,用此方法实现了新型复合材料叶片结构的极限分析和合理设计,提高了叶片的强度和刚度,有效降低了叶片的重量.本文中的方法同样适用于其它复合材料复杂结构的极限分析与强度设计.

2.会议论文陈淳.丁尚宗.王欣复合材料风机叶片发展趋势2006

风机叶片具有尺寸大外形复杂精度要求高、对强度和刚度要求高、表面粗糙度要求高、要求质量分布均匀性好等特点.采用复合材料制造风机叶片可以充分利用复合材料的可设计性,对叶片的强度测度、固有频率等基本参数迸行优化设计.对于复杂的外形和表面要求,利用复合材料可以制作出形状复杂、轻质高强的叶片,而且维修性好、周期短、可以现场施工.由于复合材料具有疲劳强度高、缺口敏感性低、内部阻尼大、耐候性优良的特点,用于风机叶片制造可以取得优异的综合性能.本文主要介绍了国内外复合材料风机叶片的发展现状及趋势.

3.学位论文张春丽复合材料风力机叶片结构设计2007

叶片是风力机最重要的部件之一也是受力最为复杂的部件。设计良好的叶片是风力机获得较高风能利用系数和较大经济效益的基础。从风机叶片的工作特性考虑，结合复合材料强度高、密度小、耐腐蚀等优点，纤维增强复合材料也就成为叶片的主要材料的不二之选。对于复合材料风机叶片的设计，就需要有强大的理论支撑，以保证结构设计的可行性、合理性及经济性。

本文采用桥联模型理论，充分考虑基体材料非线性特性对结构强度所带来的影响，并将桥联模型与有限元软件结合起来，对这种一次成型技术生产的具有三维复杂构形的复合材料风机叶片的逐次破坏过程和极限承载能力进行了分析，计算和模拟。在计算过程中只需提供纤维和基体的材料性能参数、纤维体积含量以及蒙皮和增强筋的铺层数据包括铺设角、层厚和铺层数，就可预报出复合材料复杂叶片结构的整体承载能力以及叶片破坏所处的位置，为正确评估和合理设计风机叶片结构提供了一种简便有效的分析方法。对这种确定的铺层设计方案的叶片进行了全面的分析验算。

本文通过对20KW和660KW的风机叶片做了详细的铺层设计方案比较，并对这两种不同功率叶片进行了详细的强度分析、刚度分析、极限承载能力计算、破坏分析、固有频率计算以及稳定性分析。同时对大型的风机叶片如660KW做了两种结构设计方案：空心结构和加泡沫芯结构。对这两种结构进行了强度、刚度、固有频率计算和稳定性分析，同时采用NREL开发的专门计算复合材料叶片结构性能的免费开放源码程序Precomp计算出这两种结构叶片各个截面上的单位叶长质量、挥舞刚度、摆振刚度、扭转刚度和拉伸刚度等反映叶片结构性能的力学参数。通过这些力学参数的对比，以此来比较空心结构和泡沫芯结构的优劣性。

用此方法实现了新型复合材料叶片结构的极限分析和合理设计，提高了叶片的强度和刚度，有效降低了叶片的重量。同时也对复合材料叶片的结构设计起到了良好的指导作用。文中的方法同样适用于其它复合材料复杂结构的极限分析与强度设计。

4.会议论文李杰可供中国大型航空发动机借鉴的新技术-后掠大流量宽弦复合材料风扇叶片2007

风扇叶片是涡扇发动机最具代表性的重要零件,涡扇发动机的性能与它的发展密切相关.初期的风扇叶片材料为钛合金,具有实心、窄弦、带阻尼凸台结构.现今,风扇叶片在材料、结构方面已改进了许多.应用复合材料技术,美国GE公司为GE90系列发动机研发了一种比以往任何风扇叶片都轻并更高效的风扇叶片.后掠大流量宽弦复合材料风扇叶片就是应现代涡轮风扇发动机发展需要,由美国GE公司研发并应用于GE90和GEnx系列发动机上的一项新技术.这应是一项可供中国航空工业设计研发新一代大型航空发动机借鉴的新技术.本文就此对后掠大流量宽弦复合材料风扇叶片的材料和工艺进行了简单扼要的介绍和分析期望对航空业界相关人士能有所启迪.

5.会议论文陈余岳.姚辉.李波1MW变速恒频风力机复合材料叶片设计2004

1MW风力机组研制是国家"十五""863"项目.我们承担了玻璃钢叶片设计.玻璃钢叶片是风力组的关键部件之一.我们按照国家风力机组风轮叶片标准,制度了叶片设计的荷载工况、荷载局部安全系数与材料局部安全系数,并根据标准的要求进行了叶片荷载计算、强度与变形计算、疲劳分析、频率计算和屈曲稳定计算.叶片设计表明,叶片的结构性能满足机组的技术要求.

6.期刊论文戴春晖.刘钧.曾竟成.边力平.DAI Chun-hui.LIU Jun.ZENG Jing-cheng.BIAN Li-ping复合材料风电

叶片的发展现状及若干问题的对策-玻璃钢/复合材料2008,""(1)

综叙复合材料在风力发电机转子叶片上的应用及生产现状,介绍现有复合材料风电叶片的结构、材料体系、生产工艺及发展方向等,针对目前大型风电叶片生产过程中遇到的一些问题提出解决方案或构想.可以预见,随着叶片的日益大型化,内置热源的大型复合材料组合模具、改进的真空导入树脂模塑法及可回收利用的热塑性叶片可能是今后风电叶片的主要发展方向.

7.学位论文费金凡复合材料风力叶片结构的有限元分析2009

复合材料风力机叶片结构设计与分析方法的研究一直是社会各界研究的热点之一，对推进绿色资源的有效利用具有非常重要的意义。

本文所做工作如下：

1）了解了风力叶片气动设计基本原理，重点了解了叶片基本理论、叶片基本概念以及叶片气动参数计算公式等。

2）对叶片进行了结构研究与分析，具体分析了叶片的结构形式、叶片所受载荷形式、载荷工况设计以及叶片材料铺层设计等内容。

3）以总长25m的风力叶片为例，采用机翼设计软件Profili先得到翼型型值点坐标（x，y），后通过坐标转换的方式，利用Matlab计算得到翼型上点的空间坐标值（x'，y'，z），最后在CAD软件Pro/E建立了叶片的实体模型并将实体模型导入有限元分析软件ANSYS中，建立叶片有限元模型。该方法可为扭曲叶片建模提供新思路。

4）运用FLUENT软件对叶片表面风压进行了数值模拟，并导出各点的风压值以及与其对应的点的坐标值。采用多项式曲线拟合的方式在Matlab中得到风压与点的坐标之间的函数关系式。最后采用编写命令流的形式将风压加载在叶片有限元模型上，为后续的有限元计算打好基础。

5）叶片结构静强度有限元分析。在ANSYS中计算叶片在两种不利工况下的位移、应变以及各结构层强度比。并根据相关标准对叶片的强度和刚度进行了校核，以此检验所设计的叶片是否满足强度设计要求。

6）叶片稳定性有限元分析，在ANSYS中计算叶片两种不利工况下的稳定安全系数以及屈曲失稳模态。旨在判断叶片受不利载荷作用时是否会发生失稳以及失稳的形式。

7）叶片动力特性有限元分析。建立了叶片自由振动方程，采用有限元分析软件ANSYS计算了叶片在自由振动时的十阶频率，并研究了叶片的十阶振动形式。

以上所做的工作，目的是希望寻找一种研究风力叶片结构特性的新方法，为以后的风力机叶片设计与研究提供一种新途径和参考。

8.期刊论文陈绍杰.申振华.徐鹤山.CHEN Shao-jie.SHEN Zhen-hua.XU He-shan复合材料与风力机叶片-可再生