风电机组叶片蒙皮结构铺层设计研究

　　1 引言

　　叶片是风电机组的主要部件之一，由于叶片直接迎风获得风能，要求其有合理的结构、适合的材料和工艺以使叶片能可靠地承担风力和自重离心力给予叶片的各种弯矩和拉力。叶片的结构一般采用承载层和夹心复合而成，承载层是由不同方向纤维层合而成。叶片结构设计主要包括两个方面的内容，一是叶片各截面构造；另一个是该截面铺层材料选择、铺层布置与厚度计算。

　　目前，国内还没有完全掌握大型叶片结构铺层设计原理及计算技术，即实用叶片结构铺层“工程算法”。若用有限元法进行3-D模拟迭代设计将十分耗时费力，这种结构设计路线时间要3一4月，设计周期太长。本文旨在研究结构铺层厚度在叶片截面这种复杂的几何构型上变化的板壳材料力学依据，以探讨其中的设计原理和方法。具体做法是采用隔离体分析法，沿叶片长度方向将叶片分成若干段，针对叶片经典构型，即蒙皮、主梁和腹板的构造形式，采用复合材料经典层合板理论以及板壳梁理论，对蒙皮，主梁和夹芯层分别进行设计，并运用具有符号运算功能的Matlab软件编制叶片结构铺层计算程序，在已掌握了大型叶片气动外形工程设计的基础上实现对叶片结构设计技术和计算工具的掌握。

　　2 叶片板壳结构设计理论

　　2.1叶片载荷特征及其板壳结构

　　叶片主要承受气动载荷和自重离心力，气动载荷使叶片承受弯曲和扭转，自重离心力使叶片承受拉伸力。鉴于叶片的实度几何特征，在进行结构设计校核叶片强度和刚度时，往往将叶片简化为根部固定的悬臂梁，承受自重、离心力和气动载荷所引起的拉伸、弯曲和扭转的联合作用。以叶片上述载荷与悬臂梁约束的力学特性讲，气动外形蒙皮环链内嵌主梁所形成的中空板壳复合梁是叶片结构承载功能设计优化的体现。航空上常常把主梁空间化，增加几何惯矩或刚度，以用这类复合梁来承载较大的弯矩载荷。

　　叶片采用隔离体分析法，将长度为40.3m的叶片分成40段，对每一段分别进行结构铺层设计。

　　2.2层合板理论

　　叶片蒙皮板壳将由复合材料层合板构成。层合板主要由单向层和士45“层组成。单向层一般采用7:1的单向布沿轴向铺设，以承受由离心力和气动弯矩产生的轴向应力正负45度层一般放在单向层的外侧，采用经纬纤维量相等的平衡型布作正负45度铺设．以承受主要由扭矩产生的剪切应力。在铺层设计时往往要求吸力面和压力面的铺设达到镜面对称，以防产生叶片翘曲变形。铺层数从叶根到叶尖逐步减少，尽量使悬臂叶片达到等强度布置。

　　层合板设计的任务是根据铺层的力学目标性能确定层合板中布类型、铺层的铺设方向，各铺层的铺设次序，各定性铺层相对于总层数的百分比和总层数【层合板厚度）等。由于层合板力学行为的复杂性，目前，层合板一般都设计成对称层合板，且铺设方向均衡。又鉴于铺设方向过多带来的复杂性，一般铺层的铺设方向限于选择0度、90度和45度方向。铺层的铺设方向一般依据层合板所承受负荷来确定。通常00铺层来承受轴向荷载，450铺层承受剪切荷载，900铺层承受横向载荷和控制泊松比。各铺层的铺设次序可按如下原则确定

　　（1）一般要使士45度铺层成双铺设，以减少士45度铺层与0度，90度。铺层之间的层间剪应力，防止铺层组层间分层（IFF）。同时，要尽量使士45度层位于层合板的外表面，以改善层合板的受压稳定性、冲击性能和连接孔的强度。

　　（2）如果层合板不同位置厚度不同，应使板外表面铺层保持连续，而变更其内部铺层。为避免层间剪切破坏，各层台阶宽度应相等。要防止铺层边缘剥离，可用一层内铺层覆盖在台阶上。

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