复合材料风机叶片的力学性能与结构优化(2)

　　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56.704mm。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VonMises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2.91MPa，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（<75%）可以增强材料的强度，但是从经济性及整机的寿命考虑，要充分利用复合材料可设计性的特点，满足极限载荷条件。

　　参考文献