關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)葉片；碳纖維；玻璃鋼；主梁；有限元方法

0 引言

在能源危機(jī)與環(huán)境污染的時(shí)代大背景下，以“碳中和”目標(biāo)為導(dǎo)向，旨在實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的能源變革，正在世界各國快速發(fā)展［1］。風(fēng)能因儲(chǔ)量豐富、清潔無污染及分布廣等特點(diǎn)引得廣泛關(guān)注［2-3］。近年來，我國風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，2022年風(fēng)電裝機(jī)投產(chǎn)占新增各類發(fā)電裝機(jī)容量的1/4，足見其在我國能源發(fā)展中的重要地位［4］。

風(fēng)力機(jī)葉片作為汲取風(fēng)能的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)性能優(yōu)劣直接影響整機(jī)的運(yùn)行狀況與服役壽命［5］。因此，葉片結(jié)構(gòu)性能研究始終是風(fēng)電領(lǐng)域的熱點(diǎn)。隨著風(fēng)力機(jī)裝機(jī)容量提升，葉片尺寸和質(zhì)量也不斷增加，因而葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨更高要求［6］。

復(fù)合材料因具有輕質(zhì)堅(jiān)固、抗腐蝕性強(qiáng)及易加工等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于葉片制造，可減輕葉片質(zhì)量且保證風(fēng)力機(jī)安全運(yùn)行［7-8］?，F(xiàn)階段，風(fēng)力機(jī)葉片常用的加強(qiáng)材料為玻璃鋼纖維和碳纖維［9］。對(duì)于風(fēng)輪直徑百米以上的葉片，單純使用玻璃鋼纖維作為鋪設(shè)材料已難以滿足結(jié)構(gòu)要求。主梁作為葉片主要承載結(jié)構(gòu)提供抗彎性能，故在葉片主梁的鋪設(shè)材料中添加高性能的碳纖維，可在保證葉片強(qiáng)度和剛度需求的基礎(chǔ)上，控制葉片質(zhì)量［10］。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳纖維和玻璃鋼纖維在風(fēng)力機(jī)葉片主梁中的應(yīng)用展開了諸多研究。G?ZCü 等［11-12］改變主梁玻璃鋼材料的偏軸角度，發(fā)現(xiàn)偏軸葉片可降低葉片氣動(dòng)載荷，減小齒輪箱扭轉(zhuǎn)力矩，葉片整體彎曲與扭轉(zhuǎn)剛度減小近30%。此外，他還采用碳纖維對(duì)葉片主梁區(qū)域進(jìn)行鋪層，結(jié)果顯示，與玻璃鋼纖維葉片相比，碳纖維葉片大幅降低葉根力矩、剪切力及疲勞載荷，同時(shí)齒輪箱軸承剪切力也減小，但碳纖維葉片經(jīng)濟(jì)成本遠(yuǎn)高于玻璃鋼葉片。BALOKAS等［13］比較了碳纖維和玻璃鋼葉片主梁截面的應(yīng)力分布與撓度，發(fā)現(xiàn)兩葉片應(yīng)力分布相似，但碳纖維葉片撓度較小。SENER等［14］將葉尖主梁處的玻璃鋼材料更換為碳纖維，發(fā)現(xiàn)碳纖維不同鋪層角度均可降低葉片載荷且最大應(yīng)力隨角度增加而減小。張立等［15］研究了葉片主梁材料及鋪層角度對(duì)葉片結(jié)構(gòu)特性的影響，發(fā)現(xiàn)碳纖維在減輕葉片質(zhì)量的同時(shí)可提升結(jié)構(gòu)性能，鋪層角度對(duì)揮舞方向運(yùn)動(dòng)影響較大。

盡管已有學(xué)者探究了碳纖維和玻璃鋼纖維對(duì)葉片結(jié)構(gòu)性能的影響，但目前由于碳纖維生產(chǎn)制造工藝在風(fēng)力機(jī)葉片領(lǐng)域尚未完全成熟，而葉片整體使用碳纖維作為鋪設(shè)材料勢必增加經(jīng)濟(jì)成本［16］。因此，有必要探究碳纖維與玻璃鋼纖維混摻鋪設(shè)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)性能的影響。為此，本文針對(duì)葉片主梁開展兩種纖維的無偏軸混摻鋪設(shè)研究，通過分析兩者混摻比例及鋪設(shè)位置的影響以獲得結(jié)構(gòu)性能較優(yōu)的混摻鋪層方案，從而實(shí)現(xiàn)降低葉片載荷的同時(shí)減小經(jīng)濟(jì)成本的目標(biāo)。以5 MW風(fēng)力機(jī)葉片為研究對(duì)象，通過計(jì)算流體力學(xué)方法求解葉片表面載荷分布，結(jié)合有限元方法建立復(fù)合材料模型，從而研究碳纖維和玻璃鋼混摻比例及鋪層相對(duì)位置對(duì)葉片結(jié)構(gòu)性能的影響。

1 模型建立

1. 1 葉片參數(shù)及建模

本文所使用的風(fēng)力機(jī)葉片模型數(shù)據(jù)來自美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）公布的5 MW風(fēng)力機(jī)研究報(bào)告［ 17］，該風(fēng)力機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)葉片采用DU系列和NACA64系列6種不同的翼型。在葉片截面翼型弦長15% 和50%處布置剪切腹板保證葉片強(qiáng)度。為確保葉片在工作狀態(tài)下?lián)碛凶罴训臍鈩?dòng)性能，該葉片設(shè)計(jì)為預(yù)扭葉片。葉片翼型扭角及弦長沿展向分布如圖1所示。

葉片由不同翼型沿展向排布，通過葉根向葉尖的放樣完成三維模型構(gòu)造。在葉片氣動(dòng)載荷及結(jié)構(gòu)性能計(jì)算過程中，其幾何模型精度將直接影響計(jì)算過程穩(wěn)定性與結(jié)果精度［18］。有別于過程煩瑣、易操作失誤的傳統(tǒng)手動(dòng)建模方法，本文采用NX二次開發(fā)功能，通過NX/Open Grip 語言自動(dòng)調(diào)用內(nèi)部曲線組命令快速構(gòu)建葉片模型，建模過程如圖2所示。

1. 2 混摻模型

為探究主梁鋪層材料混摻比例及鋪層相對(duì)位置對(duì)葉片結(jié)構(gòu)性能的影響，創(chuàng)建了多種混摻葉片模型，如圖3所示。定義γ（E，C ） 為主梁鋪層材料比例因子，其中γ 為碳纖維和玻璃鋼的鋪層比例。如γ（E，C ） = 1/3葉片，E 為接近葉根處的玻璃鋼材料，占比為1/4；C 為靠近葉尖處的碳纖維，占比為3/4。

1. 3 葉片鋪層策略及有限元建模

風(fēng)力機(jī)是一種大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，由于其運(yùn)行過程中葉片需要承受氣動(dòng)載荷、離心力及重力等多種負(fù)荷，因此，尋找一種既滿足葉片力學(xué)性能，又可降低質(zhì)量的葉片制造材料尤為重要。因此，采用纖維增強(qiáng)材料作為葉片制造的首選，能夠在不同的受力區(qū)域進(jìn)行差異化鋪層設(shè)計(jì)，以保證葉片的力學(xué)性能。將葉片沿展向分為25段，沿弦向根據(jù)腹板相對(duì)位置，分為6個(gè)區(qū)域，并將葉片表面及腹板劃分為302個(gè)區(qū)域。根據(jù)葉片承載特性，不同分區(qū)形式?jīng)Q定了區(qū)域鋪層材料所占比例，以提高葉片的力學(xué)性能。

表2所示為葉片鋪層所用復(fù)合材料主要力學(xué)性能參數(shù)［19］。其中，x、y 分別為葉片展向和弦向方向；E 為材料彈性模量，則Ex 表示葉片展向彈性模量；Ey表示葉片弦向彈性模量；Gxy 為xy 面剪切模量；νxy 為xy 面泊松比；ρ 為層合板材料密度。

葉片鋪層方式如圖4所示，具體鋪層方案是：①葉片表面與腹板均采用三明治夾芯結(jié)構(gòu)，葉片表面外側(cè)包裹蒙皮，確保其氣動(dòng)外形；②前緣、尾緣鑲板及腹板以泡沫鋪層材料為核心；③尾緣加強(qiáng)區(qū)以玻璃鋼和泡沫兩種材料為主；④主梁為葉片提供主要的承載作用，該區(qū)域采用高強(qiáng)度的碳纖維及玻璃鋼；⑤葉根與輪轂相連接，因此對(duì)此處材料的強(qiáng)度要求較高，鋪設(shè)多層三軸向蒙皮；⑥葉片整體最外層鋪設(shè)膠衣，以提高葉片抗腐蝕性能，增加葉片使用壽命。

1. 4 網(wǎng)格及模型驗(yàn)證

本文的葉片鋪層設(shè)計(jì)借助Ansys軟件中復(fù)合材料模塊（Ansys Composite Prepost， ACP）。通過改變主梁鋪層材料，即碳纖維和玻璃鋼纖維混摻比例及相對(duì)位置，探究其對(duì)葉片力學(xué)性能的影響。葉片采用三維殼單元SHELL181生成氣動(dòng)外形，并以葉片最大應(yīng)力與1 階屈曲因子為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。在葉根處施加固定約束，并在葉尖處施加由壓力面指向吸力面，數(shù)值為2 000 N/m2 的壓力載荷。圖5所示為不同的網(wǎng)格尺寸下葉片表面應(yīng)力與1階屈曲因子的相對(duì)變化量。

由圖5可知，當(dāng)葉片全局尺寸取0. 1 m時(shí)，葉片最大應(yīng)力值與1 階屈曲因子相對(duì)變化量均小于5%［20］。因此，在平衡計(jì)算精度與計(jì)算資源的前提下，0. 1 m是最適合作為葉片網(wǎng)格劃分的尺寸控制。不同網(wǎng)格尺度下葉片1階屈曲模態(tài)如圖6所示。

圖7所示為本文鋪層設(shè)計(jì)的碳纖維葉片與參考葉片［21］固有頻率對(duì)比結(jié)果。由圖7可知，兩葉片前6階固有頻率數(shù)值與變化趨勢較為吻合，表明本文所建立的鋪層模型具有一定準(zhǔn)確性。

2 氣動(dòng)載荷計(jì)算

為探究鋪層方案對(duì)葉片結(jié)構(gòu)性能影響，本文通過加載額定風(fēng)況下葉片所受氣動(dòng)力載荷進(jìn)行分析。為提高準(zhǔn)確度，利用計(jì)算流體力學(xué)獲得葉片表面壓力分布，再通過單向流固耦合方法，將葉片所受氣動(dòng)載荷映射至結(jié)構(gòu)側(cè)復(fù)合材料有限元模型，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、模態(tài)及屈曲分析。

2. 1 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

風(fēng)力機(jī)葉片做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有周期性，故取1/3流場作為計(jì)算域，以降低計(jì)算量。流場劃分以葉片長度R 為基準(zhǔn)，如圖8所示。計(jì)算域參照葉片長度分為外流域和旋轉(zhuǎn)域。流場邊界條件根據(jù)風(fēng)力機(jī)的額定參數(shù)設(shè)置，入口速度為11. 4 m/s，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

由于葉片曲面構(gòu)型復(fù)雜，為提高網(wǎng)格生成效率，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)流場進(jìn)行劃分。相較于旋轉(zhuǎn)域，外流域?qū)θ~片載荷計(jì)算影響較小，所以可適當(dāng)加大外流域網(wǎng)格尺寸以減少計(jì)算量，最終網(wǎng)格劃分如圖9所示。根據(jù)文獻(xiàn)［22］關(guān)于網(wǎng)格尺度的驗(yàn)證結(jié)果，最終計(jì)算域總網(wǎng)格量約為1 400萬。

2. 2 模型設(shè)置及計(jì)算

本文使用有限元軟件Ansys CFX模塊，選擇SST k-ω湍流模型求解葉片在流場中所受載荷分布。旋轉(zhuǎn)域采用移動(dòng)參考系方法考慮葉片旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為12. 1 r/min。時(shí)間步長為T/360 s，其中，T 為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)周期。每時(shí)間步內(nèi)部迭代20次。通過監(jiān)測葉片總體力矩載荷及殘差以判斷其收斂程度，最終計(jì)算的葉片表面載荷如圖10所示。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3. 1 模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每階模態(tài)均有特定的固有頻率和模態(tài)振型，當(dāng)結(jié)構(gòu)工作頻率接近其固有頻率時(shí)，將產(chǎn)生較大的頻率響應(yīng)［23-24］。 因此，有必要分析風(fēng)力機(jī)葉片的固有頻率用以判斷其是否與整機(jī)處于共振頻段，防止共振現(xiàn)象的發(fā)生。

表3所示為不同混摻比例葉片的1階固有頻率。根據(jù)NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)最低轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速可得，葉片旋轉(zhuǎn)頻率1P、3P分別為0. 122～0. 202、0. 367～0. 606 Hz。

由表3 可知，玻璃鋼葉片、γ（C，E ） = 1/3 葉片及γ（E，C ） = 3葉片的1階固有頻率值均進(jìn)入了旋轉(zhuǎn)頻率3P范圍內(nèi)，存在發(fā)生共振的可能性。其余葉片均未與旋轉(zhuǎn)頻率重合，處于安全頻率范圍內(nèi)。為保證風(fēng)力機(jī)安全，在改變主梁鋪層材料比例及相對(duì)位置時(shí)應(yīng)注意葉片固有頻率的變化，以避免發(fā)生共振現(xiàn)象，危及風(fēng)力機(jī)的安全運(yùn)行。

圖11所示為各混摻葉片固有頻率相對(duì)于玻璃鋼葉片的變化量。由圖11可知，各葉片1、3及5階固有頻率增幅較大，而1、3及5階振型為揮舞運(yùn)動(dòng)，表明改變主梁材料的鋪層形式對(duì)葉片揮舞運(yùn)動(dòng)影響較大。

分析鋪層材料比例與位置對(duì)葉片固有頻率的影響可知，主梁鋪層材料中碳纖維占比越高的葉片，固有頻率越大，擁有更強(qiáng)的抗共振能力。此外，當(dāng)碳纖維材料靠近葉根時(shí)，1、6階頻率較大；而當(dāng)碳纖維接近葉尖時(shí)，其余各階頻率較大。各葉片固有頻率不同是因?yàn)橹髁轰亴拥牟牧蠐交毂壤拔恢玫淖儞Q，影響葉片整體剛度及質(zhì)量分布，進(jìn)而影響葉片結(jié)構(gòu)剛度，使葉片固有頻率、模態(tài)振型等模態(tài)參數(shù)隨材料比例和位置發(fā)生一定變化。

3. 2 靜力學(xué)分析

結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)分析為線性彈性材料靜態(tài)加載情況下，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變求解的分析類型［25］。本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法求解葉片表面載荷并加載至有限元模型，從而進(jìn)行靜力學(xué)分析獲得葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)力與應(yīng)變分布。

圖12為葉片表面應(yīng)力云圖。由圖12可知，葉片表面應(yīng)力集中分布于主梁和近葉根最大弦長附近。這是因?yàn)樵陲L(fēng)載荷作用下，葉片主要為揮舞方向運(yùn)動(dòng)，揮舞力矩與扭轉(zhuǎn)力矩在此區(qū)域快速聚集。但因?yàn)殇亴釉O(shè)計(jì)時(shí)對(duì)葉根區(qū)域進(jìn)行額外加強(qiáng)，所示葉根區(qū)表面應(yīng)力分布并非葉片表面最大應(yīng)力區(qū)域，而是轉(zhuǎn)移至最大弦長處。因此，當(dāng)葉片主梁中碳-?；鞊奖壤跋鄬?duì)位置改變時(shí)，最大應(yīng)力值主要受最大弦長處主梁鋪層材料的影響，若此處材料為碳纖維，葉片的最大應(yīng)力值更大。在相同的氣動(dòng)載荷加載下，不同葉片近葉根處形變量相近，而當(dāng)鋪層材料替換為碳纖維，由于其高彈性模量使得應(yīng)力值增大。

圖13所示為各葉片表面及內(nèi)部腹板最大應(yīng)力與應(yīng)變值。以玻璃鋼葉片為參考基準(zhǔn)，分析各混摻葉片的應(yīng)力與應(yīng)變。由圖13可知，γ（C，E ） = 1/3葉片表面最大應(yīng)力最小，約為57. 45 MPa，降低約0. 06%；而γ（C，E ） = 1葉片表面最大應(yīng)力最高，約為72. 71 MPa，增大約26. 49%。玻璃鋼葉片表面最大應(yīng)變最高，約為0. 003 99；與之相比，各混摻葉片表面最大應(yīng)變均有所減小，其中γ（C，E ） = 3 葉片減幅最大，達(dá)到24. 4%。γ（C，E ） = 1/3葉片腹板最大應(yīng)力最小，約為44. 87 MPa，減小約31. 29%。γ（E，C ） = 1/3葉片腹板最大應(yīng)力最大，約為70. 64 MPa，增加約8. 19%。與玻璃鋼葉片相比，不同鋪層比例葉片腹板應(yīng)變差異性較大。其中γ（E，C ） = 1/3葉片腹板應(yīng)變最大，約為0. 004 94，增大約5. 82%。γ（C，E ） = 1/3葉片腹板應(yīng)變最小，約為0. 002 98，減小約10. 42%。

由上文可知，混摻葉片主梁鋪層材料比例不同對(duì)葉片表面及腹板最大應(yīng)力與應(yīng)變均有影響：葉片表面最大應(yīng)變隨碳纖維增加而減小，而葉片表面最大應(yīng)力則相反；整體而言，葉片腹板最大應(yīng)力值及最大應(yīng)變值隨碳纖維占比增多呈減小趨勢。與玻璃鋼葉片相比，γ（C，E ） = 3葉片和γ（C，E ） = 1葉片表面最大應(yīng)變和腹板最大應(yīng)力與應(yīng)變均有較大降幅。

此外，葉片表面及腹板應(yīng)力與應(yīng)變亦受到鋪層材料相對(duì)位置的影響。以玻璃鋼葉片為參考進(jìn)行分析，γ（C，E ） = 3 葉片腹板應(yīng)力與應(yīng)變分別減小27. 74%、32. 49%，而γ（E，C ） = 1/3 葉片分別增加8. 19%、5. 82%。其余葉片也可得到相同結(jié)論：當(dāng)碳纖維接近葉根時(shí)，腹板應(yīng)力與應(yīng)變均減小。這是因?yàn)槿~片在受到氣動(dòng)載荷后，葉片所受力矩在最大弦長處集中，同時(shí)腹板和主梁均是承載葉片變形的部件。當(dāng)主梁鋪層中，高彈性模量的碳纖維在接近葉跟時(shí)，使得葉片剛度增加，從而降低腹板所受載荷，使腹板應(yīng)力應(yīng)變減小。

葉片工作時(shí)，受氣動(dòng)載荷后發(fā)生形變，葉片設(shè)計(jì)應(yīng)保證葉尖位移始終與塔架留有安全間隙，避免與塔架發(fā)生碰撞致使風(fēng)力機(jī)損壞。因此，有必要對(duì)葉尖形變量進(jìn)行對(duì)比分析。

圖14為各葉片在額定風(fēng)速下葉尖總位移形變量云圖。由圖14可知，各葉片在額定風(fēng)速下的葉尖位移形變量均未超過NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)的7. 3 m塔葉間隙［26］。其中，玻璃鋼葉片葉尖位移最大為3. 213 m，碳纖維葉片最小為1. 465 m，兩者相差1. 757 m。這是因?yàn)樘祭w維材料的彈性模量更大，在葉片所受氣動(dòng)載荷大小不變的情況下，隨著主梁中碳纖維所占比例增多，葉片的變形量降低。

3. 3 屈曲分析

屈曲是指薄板、薄殼或細(xì)長桿等結(jié)構(gòu)在外載荷作用下突然發(fā)生側(cè)彎或坍塌的失穩(wěn)現(xiàn)象［27］。通過屈曲分析可以得到結(jié)構(gòu)在載荷作用下的穩(wěn)定性，并確定使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀［28］。風(fēng)力機(jī)葉片屬于細(xì)長結(jié)構(gòu)，所受載荷復(fù)雜，極易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。故通過葉片表面氣動(dòng)載荷加載方式對(duì)各葉片進(jìn)行屈曲分析，以確定其結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲失穩(wěn)的臨界載荷，為葉片設(shè)計(jì)提供參考。

由屈曲因子與初始實(shí)際載荷相乘可得使葉片發(fā)生屈曲失穩(wěn)的臨界載荷，故葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可用屈曲因子表征。屈曲因子越大，其結(jié)構(gòu)越不易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象；當(dāng)屈曲因子為1時(shí)，表明初始實(shí)際載荷可能使葉片發(fā)生屈曲失穩(wěn)。圖15所示為各葉片額定風(fēng)速下1 階屈曲模態(tài)云圖及特征值。由圖15可知，各葉片1階屈曲均發(fā)生在葉片氣動(dòng)區(qū)域的主梁與尾緣連接處的薄弱區(qū)域。這是因?yàn)樵谠搮^(qū)域葉片壓力面和吸力面存在較大的壓力差，易導(dǎo)致葉片發(fā)生屈曲失穩(wěn)。由γ（C，E ） = 1和γ（E，C ） = 1葉片，可知后者整體穩(wěn)定性更好，這是由于氣動(dòng)區(qū)域主梁中的高強(qiáng)度碳纖維材料，承載更多的壓縮載荷并傳遞至腹板，從而減小尾緣薄弱區(qū)域的載荷，提升葉片穩(wěn)定性。

根據(jù)GB/T 25383—2010標(biāo)準(zhǔn)［29］規(guī)定，若采用線性屈曲對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行穩(wěn)定性分析，應(yīng)當(dāng)設(shè)置安全系數(shù)為1. 25。此外，當(dāng)風(fēng)力機(jī)處于切出風(fēng)速下，葉片所受載荷較大，應(yīng)考慮此時(shí)葉片的穩(wěn)定性。故對(duì)葉片額定風(fēng)速與切出風(fēng)速下各葉片1階附加安全系數(shù)，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，額定風(fēng)速下各葉片1階屈曲因子在附加安全系數(shù)后均大于1；而切出風(fēng)速下葉片由于更大的氣動(dòng)載荷，玻璃鋼葉片、γ（C，E ） = 1葉片、γ（C，E ） = 1/3葉片及γ（E，C ） = 3葉片出現(xiàn)屈曲因子小于1的情況，表明在切出風(fēng)速下這些葉片容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。比較各葉片的1階屈曲因子相對(duì)變化量可得，γ（E，C ） = 1/3葉片及γ（E，C ） = 1葉片的相對(duì)碳纖維葉片的變化量較小，即兩者的抗失穩(wěn)效果最接近碳纖維葉片。

3. 4 綜合分析

針對(duì)不同混摻葉片的1階模態(tài)、屈曲因子、質(zhì)量及葉尖最大位移等計(jì)算結(jié)果，分析其較玻璃鋼葉片的相對(duì)變化量以展示其綜合性能，如圖16所示。

由圖16可知，碳纖維葉片僅表面最大應(yīng)力較玻璃鋼葉片有所增大，其余各項(xiàng)結(jié)果均更優(yōu)?；鞊饺~片不同參數(shù)相對(duì)變化差異較大，整體而言其結(jié)構(gòu)性能相較于純玻璃鋼葉片有所提升。各項(xiàng)參數(shù)中，質(zhì)量及葉尖最大位移較玻璃鋼葉片均減小，應(yīng)力應(yīng)變差異較大。綜合分析可得，當(dāng)碳纖維與玻璃鋼纖維比例為3∶1時(shí)，混摻葉片較玻璃鋼葉片結(jié)構(gòu)性能提升較大。

此外，鋪層材料的相對(duì)位置會(huì)影響葉片性能。當(dāng)碳纖維靠近葉尖時(shí)，葉片1階模態(tài)和屈曲因子較大；而碳纖維接近葉根時(shí)，葉片的最大應(yīng)力應(yīng)變與碳纖維葉片更接近。在確保葉片穩(wěn)定及抗共振性能的同時(shí)，γ（C，E ） = 3葉片有更優(yōu)的綜合性能。

4 結(jié)論

以NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)葉片為研究對(duì)象，通過計(jì)算流體力學(xué)方法求解葉片氣動(dòng)載荷并結(jié)合有限元復(fù)合材料分析，研究葉片主梁材料鋪層比例及相對(duì)位置對(duì)葉片結(jié)構(gòu)性能的影響，結(jié)論如下：

1）與玻璃鋼葉片相比，混合材料鋪層葉片表面最大應(yīng)變降低，且主梁中碳纖維占比越高，葉片表面應(yīng)變越小。此外，隨著碳纖維占比增加，屈曲因子也會(huì)增大，葉片結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。當(dāng)鋪層材料比例相同時(shí)，葉片的穩(wěn)定性亦受碳纖維和玻璃鋼纖維相對(duì)位置影響。

2）主梁鋪層材料單純?yōu)樘祭w維或玻璃鋼時(shí)，葉尖位移分別為1. 465、3. 213 m。當(dāng)兩種材料按比例混摻鋪層時(shí)，γ（E，C ） = 1/3葉片的葉尖位移最小，約1. 534 m，相較玻璃鋼葉片減小52. 3%。

3）在主梁鋪層中混摻使用碳纖維與玻璃鋼纖維，可在保證葉片有較好性能的同時(shí)，降低制造成本。本文得到的混摻葉片γ（C，E ） = 3綜合性能方面較優(yōu)，擁有接近純碳纖維葉片的結(jié)構(gòu)性能，并且具備成本優(yōu)勢。