复合材料风机叶片结构分析与铺层优化

复合材料风机叶片结构分析与铺层优化

2012年第1期

3



玻璃钢/复合材料

复合材料风机叶片结构分析与铺层优化

刘

博，黄争鸣

200092）

（同济大学航空航天与力学学院，上海

摘要：本文将梁理论应用于风机叶片的结构分析，将叶片视为一个变截面的悬臂梁，对美国可再生能源国家实验室发布的叶片结构分析程序Precomp进行了二次开发，使其不仅能计算叶片截面的刚度，而且还可以计算叶片的固有频率以及极限对叶片结构铺层进行了优化，提出了梯形截面主梁结构，并减少根部材料消耗。结果荷载作用下的变形和应力。基于该程序，

显示，优化铺层结构后的叶片重量不仅显著降低，而且不影响叶片的使用性能。

关键词：风机叶片；结构分析；梯形主梁；优化中图分类号：TB332

文献标识码：A

文章编号：1003－0999（2012）01－0003－05

1前言

［1］

中国风电场建设规模逐步扩大。经过几年的在2009年，除台湾省，全国新装并网型风机数努力，

其使用性能不仅没有受到削弱，整体刚度还有所增

加，达到了优化叶片结构的目的。

2叶片梁理论

大型叶片结构与工字钢类似，其中，主梁相当于

量为10129台，新增装机容量达到1380万kW，新增

装机容量全球排名第一，已成为全球风电行业发展的领头羊

［2］

工字钢的翼缘，提供弯曲刚度。叶片腹板相当于工字钢的腹板，考虑到稳定性，叶片腹板大都有两块，用来抵抗剪力。把梁理论

［7］

。

［3］

叶片是风力发电机组的一个核心部件

。现代应用于叶片，将叶片看

［4］大型风机叶片普遍采用纤维增强复合材料制造，

［5］

叶片设计则可分为气动和结构两大阶段。气动设

为变截面的悬臂梁。但复合材料叶片与普通悬臂梁又有区别，首先，叶片截面形状不规则，截面惯性矩I难以确定；其次，叶片材料是各向异性的，截面不同位置的弹性模量E通常不相同。将梁理论应用于叶片的难点是叶片截面的刚度EI难以确定，解决这个问题，需要定义一些等效参数

［8］

计决定叶片的工作效率

制造成本。

［6］

，而结构设计决定叶片的

风机叶片沿轴向可分为前部、中部和根部三部

分。前部主要提供叶片的空气动力性能。中部是前部到根部的过渡部分，既要考虑空气动力性能，又要有足够的刚度。根部所受荷载最大，因此根部设计主要考虑结构性能。复合材料风机叶片的铺层优化主要集中在中部和根部，在不改变气动外形的情况对叶片内部的铺层进行优化，目的是使用尽可能下，

同少的材料来提供叶片运行所需要的刚度和强度，时避免发生共振。

本文首先介绍叶片的梁理论，在此基础上，对美国可再生能源国家实验室发布的叶片结构分析程序

Precomp进行二次开发，不仅能方便应用于计算叶片的刚度，而且可计算叶片的固有频率以及给定荷载作用下的应力和变形。对目前市场上的一种40.2m长1.5MW风机叶片进行了结构重分析和优化，提出了一种更为紧凑的梯形主梁结构，并进一步减少了叶根铺层。结果显示，叶片重量有明显降低，

。

定义EI1为绕叶片截面第一主轴的弯曲刚度（挥舞刚度），EI2则是绕第二主轴的弯曲刚度（摆振PE（XE，YE）是截面的剪切中心。为了计算这刚度），

些等效参数，考虑如图1所示的叶片截面，其轴向刚度、对两个坐标轴的静矩、惯性矩和惯性积由如下公式确定：

图1

Fig.1

叶片截面的坐标系

Coordinatesystemsforacross-sectionofablade

04-01收稿日期：2011-），男，硕士研究生，研究方向为大型风力发电机叶片结构优化与设计。作者简介：刘博（1985-

FRP/CM2012.No.1