复合材料风机叶片的力学性能与结构优化

时间:2014-03-12 11:55 来源:发表吧作者:邱莉陈晓东点击: 次

　　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

　　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。

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