风力机复合材料叶片内部结构典型铺层及分析.docx

风力机复合材料叶片内部结构典型铺层及分析摘要：叶片为风力发电装置中最核心、最关键的部件之一其材料的选择对于叶片设计至关重要.大型风力机叶片普遍采用复合材料.将叶片视为一个变截面悬臂梁基于经典层合板理论和梁帽式铺层方法利用美国可再生能源国家实验室（NREL）发布的叶片结构分析软件PreComp和BModes计算叶片截面刚度、固有频率以及极限载荷作用下的变形.将计算值和ANSYS软件的分析结果进行比较结果表明梁帽式铺层方法合理可行且不影响叶片性能在实际工程应用中有较大的使用价值.关键词：叶片；复合材料；梁帽式铺层；结构分析；PreComp中图分类号：TB332文献标志码：ATheinternalstructuralanalysisofcompositewindturbinebladeswithtypicallayupWEIYuanLIChunLIZhiminZUHongya（SchoolofEnergyandPowerEngineeringUniversityofShanghaiforScienceandTechnologyShanghai200093China）Abstract：Thebladeisthemostimportantpartofwindturbinesandtheselectionofbladematerialsisvitalforbladedesign.Inthisworkthebladeofcompositematerialsisconsideredasavariablecrosssectioncantileverbeamandananalysisiscarriedoutbasedontheclassicallaminatetheoryandthesparcaptypelayupmethod.ThecomputerprogramsPrecompandBmodesoriginallydevelopedbyNREL（NationalRenewableEnergyLaboratoryofUSA）areappliedtocalculatethestiffnessthenaturalfrequencyandthedeflectionsunderlimitload.AcomparisonofthecalculationresultswiththeresultofANSYSandtheexperimentaldatashowsthatthesparcaptypelayupmethodisfeasible.Thebladestructurestillhasenoughstiffnesstofulfillapplicationpurposes.Itprovesthattheseprogramshavegreatpracticalvaluefortheengineeringapplicationtolargewindturbineblades.Keywords：blade；compositematerial；sparcaptypelayup；structureanalysis；PreComp随着全球风力发电工业的迅速发展风力机的尺寸也快速增长.据世界风能协会（GlobalWindEnergyCouncilGWEC）统计现代风力机尺寸是1980年代的100倍风力机风轮直径增加了8倍叶片长度已超过60m[1].风力发电装置中最核心、最关键的部分为叶片[2]叶片材料直接影响风力发电装置的性能和功率而风力发电成本也由各部件的材料决定.目前大型风力机叶片普遍采用纤维增强聚合物基复合材料[3].由于纤维和基体的性能差异较大使得在单层复合材料层内沿纤维方向的性能和垂直纤维方向的性能差异很大形成了正交各向异性性能[4].叶片铺层结构是指由单层复合材料按一定叠放次序层层铺设而成的薄壳结构[5].在复合材料结构设计中铺层设计起着至关重要的作用合理的铺层将有效地改善叶片的强度和刚度.风力机叶片沿轴向可分为前部、中部和根部三部分[6].其中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力机叶片的铺层优化主要集中在叶片根部.对叶片内部铺层进行优化的目的