W9).复合材料风电叶片技术研究

复合材料风扇叶片力学性能试验研究与有限元分析

复合材料风扇叶片力学性能试验研究与有限元分析周睿;刘传辉;金沙;王春生;李忠义【摘要】Static tensile experiments were occupied on a composite fan blade according to the standardized ex-perimental process to verify the mechanical properties required for the normal running of the blades. The test conditions covered the rated condition and the double overloaded condition of the blades. Experimental results have relfected that the composite blades meet the strength and fatigue lifetime requirements of normal operation. The formulation of the experi-mental procedure can provide references on the mechanical performance testing of the similar products. A setting method of composite property used on the CAE modeling of the complicated curving structures was proposed and a ifnite element model of the composite blade was established based on this method. The load-displacement response of the composite blade under the condition of the rated centrifugal force was calculated. Numerical results are in good agreement with ex-perimental results, which indicates that the model is applicable in the analysis of the composite blades.%依照制定的规范化试验流程,进行额定工况和二倍超载工况下的静力加载试验和全寿命周期疲劳试验,以验证复合材料风扇叶片运转工况所需的力学性能试验,结果表明复合材料风扇叶片满足使用强度要求,具有足够疲劳寿命.试验流程制定和具体试验方法可为同类产品力学性能检测提供参考.提出一种曲面外形构件复合材料属性设置方法,基于该方法建立复合材料叶片有限元模型,应用该模型对复合材料叶片在额定工况离心力作用下的载荷-位移响应进行计算.计算所得载荷-位移曲线与试验结果基本吻合,验证了计算方法的合理性.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2017(000)021【总页数】6页(P85-90)【关键词】复合材料;风扇叶片;试验研究;有限元分析;力学性能【作者】周睿;刘传辉;金沙;王春生;李忠义【作者单位】航空工业空气动力研究院,哈尔滨 150001;航空工业空气动力研究院,哈尔滨 150001;航空工业空气动力研究院,哈尔滨 150001;航空工业空气动力研究院,哈尔滨 150001;航空工业空气动力研究院,哈尔滨 150001【正文语种】中文随着试验空气动力学技术应用的日渐成熟，风洞产业近年来发展良好，多种尺寸、用途的风洞设备大量投入使用。

风力发电复合材料叶片的研究进展

吉林重通成飞新材料股份公司重庆 401336摘要：随着现代社会经济的迅速发展，能源紧缺问题也越来越严峻，因而国家也越来越重视起可再生资源的应用。

其中风能是可再生资源中最具开发潜力的能源之一，具有较高的环保性能，各地区在风力发电事业的建设也逐渐走向正轨。

叶片是风力发电系统中关键的动部件，叶片的材料会关系到其性能的优劣，因此为了保障整个风力发电机组的正常运行，必须要重视起复合材料的应用，尤其是当前的大型风力发电机组越来越多，较长的叶片更是对其刚度和强度提出了更高的要求，只有不断提高叶片材料的性能，才能够保障风力发电机组的运行稳定性与安全性。

基于此，本文就风力发电复合材料叶片进行了研究，明确了当前碳纤维材料的应用效果，以期能够为当前的风力发电建设提供一定的参考依据。

关键词：风力发电；复合材料；叶片引言在风机的运行过程中，其叶片需要承受强大的风载荷、砂石粒子冲击、紫外线照射等作用，因此叶片性能的优劣至关重要，同时，随着叶片长度的增加，叶片质量的增加速度要快于能量的提取速度，必须要进一步的增强叶片的刚度与强度等。

目前将新型复合材料引入到叶片的制造过程中可以最大程度上优化风电叶片的制造工艺，提高其运行性能，从而能够最大程度适应恶劣的工作环境，以便可以维护风力发电机组的高质量运行。

一、风力发电叶片的特点随着风力发电事业的进步发展，风电机组的规模也越来越大，越来越多的超大型风电叶片的制造开始受到社会各界的关注，据调查，陆上低风速区的5MW级风电机组，其风电叶片的长度可达到80m;海上6-10MW的风电机组，其风电叶片的长度可达到100m以上，在其制造过程中，不仅需要兼顾叶片的性能，还需要保障风电叶片能够满足实际发电需要。

就叶片的制造过程来看，各类固化剂、树脂、改性剂体系几乎能够满足风电叶片各种应用对其形式所提出的要求，就复合材料的应用来看，其能够更好地提高叶片的强度、刚度以及质量，而且还能够具备更加优良的抗震性、抗疲劳性，能够承受较大的内阻，敏感性相对较低。

复合材料在风力机叶片上的应用

复合材料在风力机叶片上的应用摘要：目前，我国电力事业发展迅速，风力发电的快速发展也推动了相关技术水平的提高。

文章主要对复合材料在风力机叶片上的应用展开分析与研究。

关键词：复合材料；风力机；风力叶片；材料应用引言在风能利用过程中符合材料风力机片叶是主要部件之一，铺层结构相对较为复杂，叶片整体结构性能会在一定程度上受到纤维布所占铺层厚度影响，在设计不同方向纤维布铺设层厚度过程中应该保证其能够实现最优化处理。

在风力机的运行过程中，叶片受到周围流场的影响产生变形，这一变形又会使流场发生改变，这种流体与固体之间的相互作用会对风力机的正常运转产生极大的影响，因此分析风力机叶片的流固耦合问题十分重要。

1风电叶片的结构及常见缺欠风力叶片是复合材料制成的薄壳结构，一般由根部、外壳和加强梁等3部分组成，复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90%以上。

复合材料叶片最初采用的是廉价的玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂体系，直到现在其仍是大部分叶片的制造材料。

随着叶片长度的不断增大，自身重量的不断增加，这种体系在某些场合已不能满足要求，于是碳纤维增强结构逐渐得到应用。

对于玻璃纤维复合材料叶片，一般采用开模工艺，尤其手糊黏接方式较多，其本身在加工过程中会产生气孔、干纤、褶皱、纤维断裂以及夹杂等缺欠，在与梁的合模过程中还会产生缺胶、脱黏等缺欠。

2叶片铺层结构模型目前，风力机叶片主要由增强玻璃纤维布材料复合而成，其目的是在保证叶片强度和刚度的前提下，减轻叶片的质量和载荷。

本文以某1.5MW叶片为例对叶片的结构模型和强度计算方法进行研究，1.5MW叶片的长度为38m，重量为7.9t，所用的复合材料及其规格参数和力学性能如表1所示，其中，Vf为纤维的体积分数，Ex为纤维主方向弹性模量，Ey为纤维次方向弹性模量，νxy为纤维面内泊松比，Gxy为纤维面内剪切弹性模量。

表1 材料力学性能Table1Mechanicalpropertiesofthebladematerial叶片各截面主要采用主梁梁帽、腹板、翼面，以及前、后缘增强的基本结构形式，其中主梁是主要构件，承受大部分的挥舞和摆振方向的载荷，并将其传递到叶片根部。

复合材料在风机叶片中的应用及能力认可现状

摘要本文简述了风机叶片用复合材料中不同纤维增强复合材料的优缺点，以及未来增强体和基体应用的发展趋势，同时总结了CNAS认可的风机叶片以及叶片中材料性能检测的认可现状。

认为碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维、高性能纤维等增强体，以及聚氨酯树脂、热塑性树脂或可回收树脂等基体是未来风机叶片用复合材料的研究方向；同时通过总结分析风机叶片检测实验室在认可过程中的常见问题，为后续相关实验室认可提供了关注点。

风能是可再生的清洁能源，风力发电作为一种优质的发电方式，能够有效改善电力行业对石油、煤炭等不可再生能源的依赖，对于生态环境保护和适应时代发展具有重要的意义。

风力发电非常环保，且风能蕴量巨大，因此日益受到世界各国的重视。

根据国家能源局的统计数据显示，截止到2023年7月底我国风电装机容量约3.9亿kW，同比增长14.3%。

随着风机单机容量的不断扩大，风机叶片的长度也要求不断增加。

风力机叶片作为风能发电机中的核心部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常运行的重要因素。

叶片在工作中要承受多种外部环境的影响，因此要求叶片材质具有良好的强度、刚度和韧性以及抗风沙、抗冲击、耐腐蚀等性能。

目前，纤维增强复合材料在风力机叶片上得到了广泛的应用，其质量轻、强度高、耐久性好，已成为大型风力发电机叶片的首选材料。

1玻璃钢复合材料玻璃纤维增强热固性树脂复合材料，俗称玻璃钢，是一种以玻璃纤维或其制品为增强体，以热固性树脂为基体，并通过一定的成型工艺复合成的材料。

玻璃钢具有成本低、强度高、重量轻、耐腐蚀、易加工等特点，被广泛应用于风力发电机叶片的制造。

常见的玻璃纤维分为E型和S型，E型玻璃纤维也称无碱玻璃纤维，是一种硼硅酸盐玻璃，因其良好的电气绝缘性和机械性能，被大量用于生产玻璃钢。

S型玻璃纤维是一种特制的抗拉强度极高的硅酸铝-镁玻璃纤维，它的模量比E型玻璃纤维材料高出了18%；它的纤维拉伸强度为4600MPa，比E型玻璃纤维的3450MPa 增加了33%。

复合材料风力机叶片结构设计2

ｃｓｓｔｎａｏｅｓｕｕｓｕｉｂｄｍｓｆｐｎｓｌｓｆｅ，ｒｓｅｉｏｂｖｔｏｃｒ，ｌｅｓｌｓｆｅ，ｔｎｓｏ－ｃｏｆｗｔｔｅｎａａ，ｔｓａｉｓｒｔａｉｇｔｓｎｆｅａｄｉｓｆｅ，ｅｔｇｅｈｎａｐｒｅｒｂｄｏｉｓｆｓｎａａｔｎｓｒｃｎｍｃａｉｌａｔｏｌｅｒｏｔｎｓｘｌｉｉｓｅｉｌｆｃａｍｅｆａｓｕｔａｐｐｒｓｗｒｃｃｌｅｂＰｅｏｐｅｃｄｐｇｍｉｗｔｃｒｒｅｉ，ｅｕｔｙｃｍａｅｅｒｗｃａｒｕｌｔｅａａｄｒｏｅｌｒｆｏｒａｈｈｏｓ
的强度和刚度，有效降低了叶片的重量。同时也对复合材料叶片的结构设计起到了良好的指导作用。文中的方法同样适用于其它复合材料复杂结构的极限分析与强度设计。关键词：桥联模型，复合材料风机叶片，极限分析，强度设计
Ａｂｓｉｃａｔｔａ
ｕｉａｆｌｅｌｉｎｔａｆｑｅｃｃｌｌｉａｄｂｉａｓｏａｌｔａｕａａｓａｒｒｕｎｙｃａｏｎｓｉａｌｉｆｔｅｒｎｙｓｕｌｍｉｅａｕｔｎｔｌｎｙｓａｔｙ２ｋａｄｋｃｍｏｉｗｎｔｂｅｄ．ｕａｅｙａｋｃｍｏｉ０Ｗ６０ＷｐｓｅｄｉｂｅＳｌｎｉ，６Ｗｐｓｅｎ６ｏｔｉｕｎｌｒａｉｔｔ６０ｍｏｔｗｎｔｂｅｄｗｔｔｏｃｒｗｓｎｄａａｚｄＯｅｓｌｉｕｉｂｅｈｓｕｔｅａｄｉｅａｄｌｅ．ｏｉｈｌｗｄｎｌｉｗｔｕｓｅｇｎｎｙｒａｒｓｎｆｏｏ

新型复合材料在风机叶片中的应用

新型复合材料在风机叶片中的应用【摘要】随着叶片尺寸的不断增大必将造成叶片重量越来越大，对叶片的强度和刚度有严格的要求，以避免叶尖在极端风载下出现碰撞塔架的情况。

复合材料高强度轻质量的优势却很好的满足了大型叶片的要求。

【关键词】复合材料；风力发电机1.引言风电技术发展的一个重要标志就是风力发电机组的单机容量不断提高。

自1997年以来，在欧洲特别是丹麦、德国、西班牙等国家风电技术发展很快，与过去比在单机容量方面也大大的得到提高。

当前世界风机的主力机型是1.5MW—3MW，平均单机容量也达到1MW。

风力发电可分为海上风电和内陆风电，海上风电发展与内陆风力发电相比，海上风力发电的工作风速普遍比较高，从发电量来看一般海上风场和陆上风场相比都要高出几乎0.2到0.4倍，并且对陆上景观的影响也比较小。

目前，风电技术已经能够制造出单机容量为2MW—5MW的风力机来用于海上风力发电的要求，为了满足这些条件风机叶片变得越来越长，现在已达到了40m—60m。

当风力机组装机容量更大时叶片的长度还会随之增加。

在丹麦筹建的RISOE新叶片试验中心中可以进行长度高达100m的叶片结构试验，这也成为风力发电机叶片的研究趋势。

如此巨大的叶片尺寸使得其对制造材料和工艺有了更高的要求。

2.新型材料在风机叶片中的应用随着叶片尺寸的不断增大必将造成叶片重量越来越大。

经研究，叶片重量与长度成三次方关系。

当风力发电机组正常工作时，在重力的作用下将会对叶片产生交变荷载，这些载荷将会引起叶片本身的疲劳破坏，甚至会使整个风力发电机出现疲劳损伤。

通过叶片重量的减轻，从而可以减少对其起到支撑作用的塔架、轮毂以及机舱等结构的质量。

对于风力机组的运行、能量输出、疲劳寿命来说，风机叶片的重量都是一个重要的影响因素。

在风机运行中，对叶片的强度和刚度有严格的要求，以避免叶尖在极端风载下出现碰撞塔架的情况。

对于大型风力机来说，在必须满足强度与刚度的前提下，尽量减轻叶片自重最有效的方法就是优化叶片结构和提高所用材料的性能质量。

基于风力发电涂料的叶片材料与工艺研究

基于风力发电涂料的叶片材料与工艺研究随着全球环境问题的日益严重，可再生能源的开发和利用正成为全球范围内的热门研究领域。

作为其中的重要组成部分，风力发电被广泛应用于供电系统，以减少对传统能源的依赖。

在风力发电系统中，叶片是最关键的组件之一，其质量和效率直接影响着发电效果。

为了提高风力发电系统的性能，研究人员们开始关注叶片材料和工艺的改进。

本文将基于风力发电涂料的叶片材料与工艺进行研究，以探索其在风能利用方面的潜力。

一、叶片材料的研究1. 现有叶片材料的分析风力发电叶片常采用的材料主要有玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）和玻璃纤维-碳纤维混合增强塑料（GF-CFRP）等。

这些材料具有较好的导电性和强度，适用于长期在恶劣环境下工作。

然而，它们存在一些不足，如重量较大、耐腐蚀性不足等。

2. 新型叶片材料的探索为了克服现有材料的缺点，研究人员们开始探索新型的叶片材料。

其中，风力发电涂料作为一种新型材料备受关注。

风力发电涂料是一种具有良好防水性和耐候性的特种涂料，可以用于增强叶片的耐候性能，并且可以改善叶片的表面特性，降低其与风的阻力。

这些特性使得风力发电涂料成为叶片材料的理想选择。

3. 风力发电涂料的性能研究研究风力发电涂料在叶片材料中的应用需要对其性能进行深入的研究。

重点关注的性能包括耐候性、抗腐蚀性、表面性能以及对风力发电系统性能的影响等。

通过对不同种类风力发电涂料进行实验和测试，可以评估其在叶片材料中的适用性和性能优劣。

二、叶片工艺的研究1. 现有叶片制造工艺的分析目前，风力发电叶片的制造工艺主要包括模具制作、叶片结构设计以及复合材料层叠等。

这些工艺在叶片制造过程中发挥重要作用，直接影响着叶片的质量和性能。

然而，现有工艺仍存在一些问题，如制造成本高、生产效率低等。

因此，研究人员们开始寻找新的叶片制造工艺，以提高叶片的制造效率和降低成本。

2. 风力发电涂料在叶片制造中的应用风力发电涂料在叶片制造中具有广阔的应用前景。

W9复合材料风电叶片技术研究-PPT课件

3.气动设计与结构、材料、工艺关系
相对厚度弦长
扭角
气动设计结构
绝对厚度
工艺设计
材料
后缘厚度
气动设计结果要通过结构和工艺要求进行修正
4.叶片气动设计目标拟设计叶片截面弦长较大（LM），设计尖速比小拟设计叶片截面弦长较小（Aerodyn），设计尖速比大设计尖速比范围8~10
*风轮叶片风能利用系数Cp>0.48
三、复合材料叶片结构设计
1 结构设计的原则
A 满足连接设计和层合板设计的要求
B 满足强度和刚度的要求
按使用载荷设计
C 满足复合材料失效准则的要求失效准则适用于单层 D 满足工艺性的要求
2 结构设计的基本原理
单轴布铺层
主梁承担叶片绝大部分弯曲载荷设计准则设计理论极限强度梁理论
双轴布铺层

分析类型
模态分析：固有频率与预应力模态分析
变形分析：叶尖最大挠度分析
静强度分析：应力-应变分析纤维失效分析：纤维方向和纤维层间失效分析稳定性分析：叶片整体与局部稳定性分析叶根螺栓连接分析：螺栓强度与螺栓寿命分析疲劳分析：叶片寿命分析
4 结构校核分析实例

分析实例
腹板
蒙皮蒙皮
防止单轴布层开裂提供主要剪切强度
设计理论
经验公式
三轴布铺层
提供部分剪切强度防止叶片表面凹陷
设计理论
经验公式
3 叶片结构设计结果
Sinoma40.2
1.0MW Sinoma31
四、复合材料叶片结构分析
1 材料的许用值与安全系数
材料特征值材料安全系数材料许用值

纤维失效分析