風電機組葉片蒙皮結構鋪層設計研究

1 引言

    葉片是風電機組的主要部件之一，由于葉片直接迎風獲得風能，要求其有合理的結構、適合的材料和工藝以使葉片能可靠地承擔風力和自重離心力給予葉片的各種彎矩和拉力。葉片的結構一般采用承載層和夾心復合而成，承載層是由不同方向纖維層合而成。葉片結構設計主要包括兩個方面的內容，一是葉片各截面構造；另一個是該截面鋪層材料選擇、鋪層布置與厚度計算。

    目前，國內還沒有完全掌握大型葉片結構鋪層設計原理及計算技術，即實用葉片結構鋪層“工程算法”。若用有限元法進行3-D模擬迭代設計將十分耗時費力，這種結構設計路線時間要3一4月，設計周期太長。本文旨在研究結構鋪層厚度在葉片截面這種復雜的幾何構型上變化的板殼材料力學依據，以探討其中的設計原理和方法。具體做法是采用隔離體分析法，沿葉片長度方向將葉片分成若干段，針對葉片經典構型，即蒙皮、主梁和腹板的構造形式，采用復合材料經典層合板理論以及板殼梁理論，對蒙皮，主梁和夾芯層分別進行設計，并運用具有符號運算功能的Matlab軟件編制葉片結構鋪層計算程序，在已掌握了大型葉片氣動外形工程設計的基礎上實現對葉片結構設計技術和計算工具的掌握。

2 葉片板殼結構設計理論

    2.1葉片載荷特征及其板殼結構

    葉片主要承受氣動載荷和自重離心力，氣動載荷使葉片承受彎曲和扭轉，自重離心力使葉片承受拉伸力。鑒于葉片的實度幾何特征，在進行結構設計校核葉片強度和剛度時，往往將葉片簡化為根部固定的懸臂梁，承受自重、離心力和氣動載荷所引起的拉伸、彎曲和扭轉的聯合作用。以葉片上述載荷與懸臂梁約束的力學特性講，氣動外形蒙皮環鏈內嵌主梁所形成的中空板殼復合梁是葉片結構承載功能設計優化的體現。航空上常常把主梁空間化，增加幾何慣矩或剛度，以用這類復合梁來承載較大的彎矩載荷。

    葉片采用隔離體分析法，將長度為40.3m的葉片分成40段，對每一段分別進行結構鋪層設計。

    2.2層合板理論

    葉片蒙皮板殼將由復合材料層合板構成。層合板主要由單向層和士45“層組成。單向層一般采用7:1的單向布沿軸向鋪設，以承受由離心力和氣動彎矩產生的軸向應力正負45度層一般放在單向層的外側，采用經緯纖維量相等的平衡型布作正負45度鋪設．以承受主要由扭矩產生的剪切應力。在鋪層設計時往往要求吸力面和壓力面的鋪設達到鏡面對稱，以防產生葉片翹曲變形。鋪層數從葉根到葉尖逐步減少，盡量使懸臂葉片達到等強度布置。

    層合板設計的任務是根據鋪層的力學目標性能確定層合板中布類型、鋪層的鋪設方向，各鋪層的鋪設次序，各定性鋪層相對于總層數的百分比和總層數【層合板厚度）等。由于層合板力學行為的復雜性，目前，層合板一般都設計成對稱層合板，且鋪設方向均衡。又鑒于鋪設方向過多帶來的復雜性，一般鋪層的鋪設方向限于選擇0度、90度和45度方向。鋪層的鋪設方向一般依據層合板所承受負荷來確定。通常00鋪層來承受軸向荷載，450鋪層承受剪切荷載，900鋪層承受橫向載荷和控制泊松比。各鋪層的鋪設次序可按如下原則確定：

    (1）一般要使士45度鋪層成雙鋪設，以減少士45度鋪層與0度，90度。鋪層之間的層間剪應力，防止鋪層組層間分層(IFF)。同時，要盡量使士45度層位于層合板的外表面，以改善層合板的受壓穩定性、沖擊性能和連接孔的強度。

    （2）如果層合板不同位置厚度不同，應使板外表面鋪層保持連續，而變更其內部鋪層。為避免層間剪切破壞，各層臺階寬度應相等。要防止鋪層邊緣剝離，可用一層內鋪層覆蓋在臺階上。

    至于各鋪層的層數，層合板總層數的確定，是根據對層合板承載設計要求綜合考慮確定的，一般可采用準網絡設計法，等代設計法，卡皮特曲線設計法，主應力設計法等。層合板全厚度除需滿足強度條件外，在很大程度上往往還由葉片的變形條件所控制，即還要滿足剛度條件。對于外載而變形要求不高的葉片，如，下風后置葉片，也不宜把壁厚設計的過薄以致發生整體或局部失穩問題。

    需要指出的是，近年來碳纖維在風電機組葉片中的應用導致了復合材料結構鋪層研究人員對非軸對稱層合板的興趣，其目的是用這類鋪層布置在葉片受瞬時風載時，產生“材料誘導性”彎扭禍合變形效應，以散射瞬變載荷對葉片結構的破壞能。

    本文結構中的層合板選用玻璃纖維和環氧基體構建，其材料性能參數見表1，纖維與環氧基體的體積比通常為0.44。