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1、复合材料风电叶片技术研究复合材料风电叶片技术研究2009-11-27李军向李军向中材科技风电叶片股份有限公司中材科技风电叶片股份有限公司主要内容主要内容1.1.复合材料叶片气动设计复合材料叶片气动设计2.2.复合材料叶片材料设计复合材料叶片材料设计3.3.复合材料叶片结构设计复合材料叶片结构设计4.4.复合材料叶片结构分析复合材料叶片结构分析一、复合材料叶片气动设计一、复合材料叶片气动设计1.1.基本数据：基本数据：翼型数据、气动力数据、整机数据、风况等翼型数据、气动力数据、整机数据、风况等2.2.数学模型：数学模型：复合型法（风工程与工业空气动力学）复合型法（风工程与工业空气动力学）Glau
2、ert Glauert 优化设计法和优化设计法和WilsonWilson优化设计法（风力机设计）优化设计法（风力机设计）其他设计方法（其他设计方法（BladedBladed软件设计）软件设计）气动设计结构工艺设计材料 气动设计结果要通过结构和工艺要求进行修正气动设计结果要通过结构和工艺要求进行修正弦长扭角相对厚度绝对厚度后缘厚度3.3.气动设计与结构、材料、工艺关系气动设计与结构、材料、工艺关系4.4.叶片气动设计目标叶片气动设计目标拟设计叶片截面弦长较大（拟设计叶片截面弦长较大（LMLM），设计尖速比小），设计尖速比小拟设计叶片截面弦长较小（拟设计叶片截面弦长较小（AerodynAerody
3、n），设计尖速比大），设计尖速比大设计尖速比范围设计尖速比范围810810* *风轮叶片风能利用系数风轮叶片风能利用系数Cp0.48Cp0.48* *风能利用系数风能利用系数Cp0.45Cp0.45，要求尖速比范围较大，要求尖速比范围较大* *风场的年发电量风场的年发电量5.5.实例实例1 1：1MW1MW叶片气动外形设计叶片气动外形设计额定功率额定功率/kW /kW 1000 1000 功率调节方式功率调节方式 变速变桨距变速变桨距 风场等级风场等级 IEC IIIA IEC IIIA 额定风速额定风速/m/ms-1 s-1 12 12 叶片长度叶片长度/m /m 31 31 风轮直径风轮直
4、径/m /m 64.42 64.42 叶根连接处半径叶根连接处半径/m /m 1.21 1.21 设计尖速比设计尖速比 8.5 8.5 风轮转速风轮转速/rpm /rpm 12-21.5 12-21.5 切入风速切入风速/m/ms-1 s-1 3.5 3.5 切出风速切出风速/m/ms-1 s-1 25 25 翼型翼型 AEAE系列系列+NACA 63+NACA 63 1MW1MW叶片基本设计参数叶片基本设计参数设计结果设计结果- -弦长、扭转角分布弦长、扭转角分布0510152025303500.511.522.53弦弦长长(m) 05101520253035024681012-2-4扭角扭
5、角()设计结果设计结果- -相对厚度分布相对厚度分布05101520253035020406080100120相相对对厚度厚度(%)0510152025303500.511.5-0.5-1-1.5-2前缘位置后缘位置设计结果设计结果- -平面图平面图性能计算及结果性能计算及结果-GH bladed-GH bladedTip speed ratio . 161412108642000.10.20.30.40.50.6Power coefficient .尖速比为尖速比为8.48.4时，风能利用系数为时，风能利用系数为0.48510.4851，在尖速比为，在尖速比为7.5-9.77.5-9.7范范
6、围内，风能利用系数大于围内，风能利用系数大于0.470.47。轴功率曲线轴功率曲线-GH bladed-GH bladed额定风速额定风速11m/s11m/sHub wind speed m/s051015202530020040060080010001200Electrical power kW三维模型软件三维模型软件简介：简介：建立叶片三维模型，采用自编的建立叶片三维模型，采用自编的CATIACATIA二次开发软二次开发软件，输入叶片弦长、扭转角、相对厚度、前缘距离桨距轴件，输入叶片弦长、扭转角、相对厚度、前缘距离桨距轴位置、预弯即可快速、准确建立三维模型，并且能快速检位置、预弯即可快速、
7、准确建立三维模型，并且能快速检查、修改叶片后缘厚度等问题。查、修改叶片后缘厚度等问题。1MW1MW叶片三维模型叶片三维模型6.6.实例实例2 2：2.5MW2.5MW叶片气动外形设计叶片气动外形设计设计尖速比的选择：设计尖速比的选择：9.59.5叶片长度：叶片长度：48.8m48.8m半径方向半径方向/m051015202530354045505500.511.522.533.54弦弦长7.7.实例实例2 2：2.5MW2.5MW叶片气动外形设计叶片气动外形设计半径方向半径方向/m051015202530354045505502468101214-2-4扭扭转角角半径方向半径方向/m05101
8、5202530354045505500.20.40.60.811.2相相对厚度厚度材料、结构与工艺材料、结构与工艺 材料设计材料设计 纤维纤维/ /树脂树脂/ /芯材芯材 结构设计结构设计 蒙皮蒙皮/ /主梁主梁/ /腹板腹板 叶根叶根 生产工艺生产工艺 灌注灌注/ /预侵料预侵料 二、复合材料叶片材料设计二、复合材料叶片材料设计A A 原材料选择原则原材料选择原则结构、工艺、成本结构、工艺、成本B B 纤维选择纤维选择玻璃纤维、碳纤维玻璃纤维、碳纤维C C 芯材选择芯材选择PVCPVC、BALSABALSAD D 树脂选择（热固性）树脂选择（热固性）环氧树脂、不饱和聚酯环氧树脂、不饱和聚酯1
9、 原材料选择与复合材料性能原材料选择与复合材料性能B B 刚度的预测刚度的预测 的确定的确定的确定的确定 2 单层性能的确定单层性能的确定A A 单层树脂含量的选择单层树脂含量的选择 纵向拉伸强度纵向拉伸强度C C 强度的预测强度的预测 纵向压缩强度纵向压缩强度 3 复合材料层合板设计复合材料层合板设计A A 层合板设计的一般原则层合板设计的一般原则铺层定向原则、顺序原则、变厚度设计原则铺层定向原则、顺序原则、变厚度设计原则B B 等代设计法等代设计法层合板材料替代以满足强度或刚度层合板材料替代以满足强度或刚度C C 主应力设计法主应力设计法层合板材料主方向与主应力方向一致层合板材料主方向与主
10、应力方向一致D D 层合板优化设计法层合板优化设计法满足某种约束条件使层合板质量最轻满足某种约束条件使层合板质量最轻A A 满足连接设计和层合板设计的要求满足连接设计和层合板设计的要求B B 满足强度和刚度的要求满足强度和刚度的要求按使用载荷设计按使用载荷设计C C 满足复合材料失效准则的要求满足复合材料失效准则的要求失效准则适用于单层失效准则适用于单层D D 满足工艺性的要求满足工艺性的要求 1 结构设计的原则结构设计的原则三、复合材料叶片结构设计三、复合材料叶片结构设计 2 结构设计的基本原理结构设计的基本原理承担叶片绝大部分弯曲载荷承担叶片绝大部分弯曲载荷单轴布铺层单轴布铺层主梁主梁设计
11、准则设计准则设计理论设计理论极限强度极限强度梁理论梁理论蒙皮蒙皮腹板腹板设计理论设计理论双轴布铺层双轴布铺层防止单轴布层开裂防止单轴布层开裂提供主要剪切强度提供主要剪切强度经验公式经验公式蒙皮蒙皮设计理论设计理论三轴布铺层三轴布铺层提供部分剪切强度提供部分剪切强度防止叶片表面凹陷防止叶片表面凹陷经验公式经验公式 3 叶片结构设计结果叶片结构设计结果SinomaSinoma叶片的外形与截面型式叶片的外形与截面型式1.5MWSinoma40.21.0MWSinoma311 材料的许用值与安全系数材料的许用值与安全系数 材料特征值材料特征值 材料安全系数材料安全系数 材料许用值材料许用值局部安全系数
12、局部安全系数静强度分析安全系数静强度分析安全系数疲劳分析安全系数疲劳分析安全系数四、复合材料叶片结构分析四、复合材料叶片结构分析2 结构模型结构模型叶片的结构坐标系叶片的结构坐标系（GL2003GL2003）整体有限元模型整体有限元模型截面有限元模型截面有限元模型叶片的有限元模型叶片的有限元模型v分析方法分析方法采用采用载荷计算软件载荷计算软件Bladed进行进行载荷计算载荷计算采用有限元软件采用有限元软件ANSYS和和ABAQUS进行进行结构分析与优化设计结构分析与优化设计v分析类型分析类型模态分析：固有频率与预应力模态分析模态分析：固有频率与预应力模态分析变形分析：叶尖最大挠度分析变形分析
13、：叶尖最大挠度分析静强度分析：应力静强度分析：应力- -应变分析应变分析纤维失效分析：纤维方向和纤维层间失效分析纤维失效分析：纤维方向和纤维层间失效分析稳定性分析：叶片整体与局部稳定性分析稳定性分析：叶片整体与局部稳定性分析叶根螺栓连接分析：螺栓强度与螺栓寿命分析叶根螺栓连接分析：螺栓强度与螺栓寿命分析疲劳分析：叶片寿命分析疲劳分析：叶片寿命分析 3 结构校核分析结构校核分析v分析实例分析实例Sinoma31叶片结构分析叶片结构分析Sinoma40.2叶根螺栓连接分析叶根螺栓连接分析4 结构校核分析实例结构校核分析实例v模态分析模态分析 一阶挥舞频率一阶挥舞频率0.924HZ(55.4rpm)
14、 一阶摆振频率一阶摆振频率1.708HZ(102.5rpm)v静强度分析静强度分析根据根据bladed载荷计算报告，按照最终极限载荷对叶片进行静强度分析校核。载荷计算报告，按照最终极限载荷对叶片进行静强度分析校核。 叶片某段的局部应力图叶片某段的局部应力图该段叶片迎风面主梁该段叶片迎风面主梁(UD)应力图应力图v纤维失效分析纤维失效分析 失效准则：最大应力准则（简单直观）失效准则：最大应力准则（简单直观）纤维方向失效指数纤维方向失效指数垂直纤维方向失效指数垂直纤维方向失效指数纤维层间剪切失效指数纤维层间剪切失效指数纤维层粘接失效分析指数纤维层粘接失效分析指数 纤维方向纤维方向失效分析失效分析编
15、号编号截面截面(m)屈曲因子屈曲因子编号编号截面截面(m)屈曲因子屈曲因子11.21479.04 1216.711.29 22.11292.47 1318.261.37 32.76128.22 1419.811.41 44.3114.49 1521.361.47 55.8610.05 1622.911.55 67.416.29 1724.461.48 78.963.76 1826.011.39 810.512.82 1927.561.44 912.062.06 2029.111.45 1013.611.74 2130.662.62 1115.161.52 2232.2183.34 * * 局部
16、稳定性分析局部稳定性分析 叶片局部失稳图叶片局部失稳图(L=27.9m(L=27.9m，屈曲因子，屈曲因子=2.738)=2.738)表表3-2 3-2 各截面的失稳屈曲因子（含安全系数）各截面的失稳屈曲因子（含安全系数）v叶根螺栓连接分析叶根螺栓连接分析 叶根螺栓连接分析包括叶根螺栓连接分析包括连接螺栓的静强度分析和叶片根部玻璃钢强度分析，连接螺栓的静强度分析和叶片根部玻璃钢强度分析，采用工程算法和采用工程算法和ABAQUS有限元算法对有限元算法对叶根螺栓连接强度进行分析。叶根螺栓连接强度进行分析。 叶根连接的有限元模型叶根连接的有限元模型 十字头螺栓的应力变化图十字头螺栓的应力变化图 部部
17、 件件计算部位计算部位剩余系数剩余系数失效系数失效系数双头螺柱双头螺柱光杆拉伸光杆拉伸1.561.56/ /双头螺柱和十字头螺栓的螺纹双头螺柱和十字头螺栓的螺纹弯曲弯曲1.11.1/ /剪切剪切1.121.12/ /挤压挤压1.251.25/ /十字头螺栓十字头螺栓弯曲和剪切弯曲和剪切2.52.5/ /叶根玻璃钢叶根玻璃钢挤压挤压5.65.6/ /3AX 3AX 三轴布三轴布单层强度单层强度/ /0.00550.0055双轴布双轴布单层强度单层强度/ /0.3770.377* *叶片根部最小剩余强度系数表叶片根部最小剩余强度系数表叶片根部最小剩余强度系数均大于叶片根部最小剩余强度系数均大于1
18、1，螺栓连接安全可靠，满足设计要求；，螺栓连接安全可靠，满足设计要求；叶片根部纤维布最大失效系数均小于叶片根部纤维布最大失效系数均小于1 1，根部连接安全可靠，满足设计要求。，根部连接安全可靠，满足设计要求。截面截面编号号剩余安全系数剩余安全系数1-21.1131.2841.2751.2261.2471.3381.2991.36101.36111.35121.35131.41141.32151.22161.19171.13181.14191.25201.89219.51v疲劳分析疲劳分析计算单位载荷应变计算单位载荷应变利用利用Markov矩阵求解均值与幅值矩阵求解均值与幅值求解许用循环次数求解许用循环次数求解疲劳寿命求解疲劳寿命求解疲劳剩余安全系数求解疲劳剩余安全系数 1MW叶片某纤维布的疲劳剩余安全系数叶片某纤维布的疲劳剩余安全系数
