铺层参数对风力机叶片结构性能的影响分析

摘 要：复合纤维风力机叶片铺层结构复杂，其性能随铺层角度、铺层顺序和铺层厚度的不同而变化。为了优化铺层方案，论文研究了铺层参数对复合纤维风力机叶片静态结构性能的影响。以某MW级风力机叶片叶中段0-2/3段为对象，建立其有限元模型；采用双因素变量法分析铺层参数对叶片的性能影响，即设计典型铺层方案，以铺层顺序为定量，同时改变铺层角度和各铺层角度的比例，得出叶片具有良好性能的铺放参数。优化原有设计方案，结果表明改进后叶片的最大失效因子及最大位移明显降低，验证了所得结论的正确性。

关键词：铺层参数；静态性能影响；铺层优化；风力机叶片；复合纤维

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.220

0 引言

风力机叶片的受力情况十分复杂，承担了大部分动态和静态载荷，其结构性能对风力机的稳定运行起着非常重要的作用。为了提高其性能和质量，复合材料风力机叶片采用铺放和树脂浸透等成型工艺制造[1]。风力机叶片的性能取决于其铺层结构。叶片结构由承载层和夹芯复合而成，而承载层又由纤维层多方向铺设合成。在铺层结构设计中，除了综合考虑铺层原则、铺放工艺，还要使铺层结构适应叶片的承载情况。为使纤维轴向高刚强度的特性得以最大化利用，要求铺层的纤维轴线应与构件所受的拉压方向一致[2]。合理的铺层结构设计，是叶片在各种风载情况下性能得以保证的前提。

论文基于风力机叶片复杂的气动外形、承载情况及非等厚度铺层结构，探讨风力机叶片的有限元建模和铺层结构设计；研究铺层参数对叶片静态结构性能的影响。

1 有限元模型的建立

大型风力机叶片在运行中最大应力集中部位主要出现在叶中段1/3-2/3处，论文中采用某公司的成熟叶片改进后加以分析，取距叶根28.75m的一段为研究对象，建立其有限元模型。叶片有限元模型如图1所示。

2 风力机叶片强度校核准则

复合材料的性能受多指标约束，Tsai-Wu强度失效准则引入材料影响系数F12，综合考虑了外力作用及材料中各应力之间的影响。对不同应力状态的复合材料破坏可正确预测[3]。

3 铺层参数对叶片静态结构性能的影响分析

3.1 铺层原则

复合材料层合板的铺层设计应该综合考虑强度、刚度、结构稳定性等方面的要求，达到提高层合板承载能力的目的。铺层设计应遵循以下原则：

（1）铺层定向原则（2）均衡对称铺设原则（3）铺层取向按承载选取原则（4）铺层最小比例原则

3.2 基于双因素铺层参数对风力机叶片静态结构性能的影响分析

由上述分析可知，根据铺层原则设计的铺层方案中，铺层角度的排列顺序对风力机叶片的静态结构性能影响不大，因此，将铺层顺序作为定量，设计铺层方案：[0°/（±θ）t/90°/（±θ）t/（±θ）t/0°/（±θ）t/90°]NT，通过同时改变铺层角度和各铺层角度的比例，以探讨二者耦合作用下对风力机叶片性能的影响。相比较单因素变量分析法，分析二者结果的差异。（θ取值为30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°，θ所占比例为33.3%、50.0%、60.0%、66.6%、75.0%）

通过不同角度和各角度所占比例交叉组合，探讨二者共同变化的情况下，对风力机叶片铺层静态结构性能的影响。

由图2（a）可知，综合考虑铺层角度和铺层角度所占比例对风力机叶片静态结构性能的影响。叶片铺层结构设计中，各铺层角度的比例在50%-55%左右时，叶片的Tsai-Wu失效因子处于曲线低谷状态，在66.6%-75%时Tsai-Wu失效因子处于曲线高峰状态；相比各角度及其比例下的铺层，采用45°各比例铺层时，Tsai-Wu失效因子均小于相同比例的其他铺层角度下的失效因子，且45°铺层所占比例为60%-66%时，叶片的失效因子处于最小；分析图6（b）可知，相同角度铺层比例在50%-60%范围内，叶片的位移比其他比例下的位移小；铺层角度处于40°-50°范围内，叶片的位移较小，其变化平缓，且在45°铺层比例在50%-60%范围内，叶片的位移值处于最小。

相比前人的单因素铺层参数分析法，该方法考虑了铺层参数的耦合影响，获得结果更为准确。

4 风力机叶片铺层方案优化

4.1 铺层方案优化

风力机叶片铺层结构合理与否直接关系到叶片的性能以及使用寿命。叶片主梁主要用于抗弯，采用0°单向纤维布铺设；腹板主要承受剪力，以±45°纤维铺层为主，故不再对其铺层结构进行优化；由于蒙皮承担部分弯曲载荷和主要扭转载荷，其结构复杂、厚度较大；本节针对叶片蒙皮结构进行铺层优化，确定最优铺层方案并予以强度校核。

根据第3节铺层参数对叶片性能影响分析结论，对原有铺层方案予以优化。原始铺层方案及改进方案如表1所示。

原始铺层方案中，蒙皮部分的铺层无0°、90°单轴向布铺层，主要采用了双轴向布（±45°）和三轴向布（0°，±45°）；在改进方案中，蒙皮部分的铺层除了双轴向布（±45°）和三轴向布（0°，±45°），并增加适量的单轴向布0°和90°铺层，并使0°、±45°、90°铺层分隔铺放。

4.2 铺层方案比较分析

对原始铺层方案以及改进铺层方案的叶片进行静态结构性能分析，优化前后Tsai-Wu失效因子分布及最大位移分布如图3-4所示。

相比风力机叶片铺层优化前，优化后叶片的Tsai-Wu失效因子减小约23%，最大位移量减小约21%；由此表明，在叶片的蒙皮部分采用适量0°、90°铺层，且与±45°铺层交叉铺放更有利于叶片性能的提高。

5 结论

综合考虑铺层角度和铺层角度所占比例对风力机叶片静态结构性能的影响。叶片铺层结构设计中，各角度及其比例下的铺层，采用45°各比例铺层且45°铺层所占比例为60%-66%时，叶片Tsai-Wu失效因子及位移量最小。相比单因素铺层参数分析法，该方法考虑了铺层参数的耦合影响，获得结果更为准确。根据以上结论，优化原设计方案，结果表明改进后叶片的Tsai-Wu失效因子和最大位移明显降低，验证了所得结论的正确性。

参考文献：

[1]李成良，王继辉，薛忠民.大型风力机叶片材料的应用和发展[J].玻璃钢/复合材料，2008（04）：49-51.

[2]安鲁陵，周燚，周来水.复合材料纤维铺放路径规划与丝数求解[J].航空学报，2007，28（03）：745-750.

[3]潘柏松，谢少军，梁利华.风力机叶片叶根复合材料铺层强度特性研究[J].太阳能学报，2012，33（05）：769-775.

作者简介：姜勇（1987—），男，陕西子洲人、硕士，研究方向：风力机叶片铺层结构设计。endprint