風力發電葉片主梁彎扭耦合設計研究

2 葉片彎扭耦合設計
    在葉片構造中，主梁是主要承載結構，葉片彎扭耦合也主要發生在主梁上。由上一節理論估算，碳纖維材料單向層層合板鋪層方向角在15~30°之間，耦合程度較高。下面針對碳纖維材料對750kW葉片玻璃鋼主梁進行彎扭耦合設計，分別對鋪層角為0°、5°、15°、20°、25°、30°時進行剛度計算，根據剛度對等原則重新設計鋪層厚度。

         
    圖4所示為750kW葉片主梁示意圖。將主梁鋪層材料替換成碳纖維增強材料。由式(25)和式(26)計算單層偏軸模量Q’(i,j＝1,2=6)，代入式(14)中，得到Q_ij(i,j＝1,6)，再代入A_ij＝∫Q_ijdT可計算出主梁層合板各截面軸向拉伸剛度系數。軸向拉伸剛度系數與軸向彎曲剛度系數關系如下^[14]：

            
    由式(27)可計算出主梁各截面彎曲剛度系數，計算結果如圖5所示。在圖5中，曲線由上到下，鋪層角逐漸增大，中間黑實線高亮顯示的曲線為原設計曲線。曲線表明，鋪層角增大,主梁彎曲剛度逐漸減小。觀察曲線，就彎曲剛度而言,采用碳纖維時,在厚度不變的前提下,15°鋪層角所得剛度與玻璃纖維0°鋪層角所得剛度最接近。20°以后，主梁彎曲剛度將會有所損失。所以，就本文葉片而言，采用彎扭耦合設計時，鋪層角應該20°以內。根據前面計算結果與圖3，采用碳纖維/環氧時，耦合程度最好的鋪層角在15~30°之間。結合剛度和耦合設計理論，15°將是最合適的鋪層角。

       
    從圖5中可以看出，15°鋪層角所得剛度值仍然高于本文設計值。因此可以適當減小碳纖維鋪層厚度以節約成本。經過計算，主梁各截面鋪層厚度見表2。各截面鋪層厚度平均減少11.33％。