1、毕 业 设 计 （ 论 文 ）题目： DDL 型叶片结构与工艺设计 DDL 型叶片结构设计 信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） DDL 型叶片结构与工艺设计DDL 型叶片结构设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。IIIII无 锡 太 湖 学 院信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业毕 业 设 计 论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题
2、目 DDL 型叶片结构与工艺设计DDL 型叶片结构设计 2、专题 二、课题来源及选题依据近年来，能源危机越来越引起人们的重视，能源短缺使得可再生能源得到空前发展，风能作为取之不尽用之不竭的可再生能源在近几年得到了空前发展，世界上不少国家都把开发风能作为一项能源政策。我国作为能源消费大国，近年来因为政府的支持风电行业得到迅速发展，但我国的风电技术与风电发达国家比差距甚大，大功率的风电设备技术基本依赖进口，作为风电机组关键部件之一的叶片也是如此，叶片结构设计的好坏直接影响到风能转换的效率。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 了解国内外风力发展现状及叶片制造技术发展； 了解叶片空气动力学受力特
3、点及一系列的载荷分析 熟练掌握制造叶片的各种材料的特性和优异 了解叶片与轮毂之间的各种配合关系 四、接受任务学生：IV机械 94 班 姓名 邵亦飞 摘 要当今世界，风力发电已成为新能源主题之一。与此同时，风力发电机叶片的发展也十分迅速。其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风力发电机组正常稳定运行的决定因素。叶片的翼型设计、结构形式直接影响风力发电装置的性能和功率。叶片是风力发电机中最核心的部分，是风力发电机中叶轮的最基础和最关键的部件，所以叶片设计的好坏，决定了风力发电机的优劣。叶片也是受力最为复杂的部件。设计良好的叶片是风力机获得较高风能利用系数和较大经济效益的基础。叶片作为接收风能的
4、主要部件,在整个风电设备系统中的地位尤显重要,要求其具有合理的翼型设计。优质的材料和先进的工艺,其设计!制造和性能成为了重点研究和大力发展的目标“目前对于叶片的研究集中在翼型、结构、材料和工艺制造方面。关键词：叶片的发展；叶片结构设计IIIAbstractIn todays world,wind power has become one of the.new energy。 theme. At the same time， the development of wind turbine blade is also very quickly. The good design， reliable
5、quality and superior performance is to ensure that the determinants of the normal and stable operation of wind turbines. Airfoil design， blade structure directly affect the performance and power of wind power generation device. The blade is the core part of the wind generator， is the most basic impe
6、ller in wind power generator and the most critical components， so the blade design is good or bad， the wind turbine performance. The leaf is the most complex part. Blade design is a good wind turbine foundation for high wind energy utilization coefficient and greater economic benefits. Leaves as rec
7、eiving the main components of the wind energy in the entire wind power equipment system is particularly important, a reasonable airfoil design! Quality materials and advanced technology, designed manufacturing and performance become the focus of research and vigorously development for blade research
8、 focused on the airfoil! structure! materials and manufacturing process.Key words：Blade；blade designVI目 录摘 要 VAbstract .VI目 录 VII1 绪论 .11.1 课题来源与背景 11.2 国内外现状及前景 11.2.1 国外风机叶片情况 .11.2.2 国内风机叶片情况 .22 叶片的研究与设计 .32.1 风力机典型结构 .32.2 叶片载荷分析 42.2.1 载荷分类 42.2.2 载荷计算的坐标系 42.2.3 气动载荷（记作 s） 62.2.4 重力载荷（记作 u） .
9、72.2.5 离心力载荷（记作 v） .82.3 使用载荷和设计载荷 82.4 叶片材料的选择 93 叶片的结构设计 .123.1 叶片剖面结构形式设计 .123.2 叶片铺层设计 143.2.1 铺层设计原则 143.2.2 铺层设计过程 153.3 叶片强度和变形设计 153.3.1 叶片的应力计算 153.3.2 叶片的变形计算 163.4 叶片根端连接设计 .173.5 叶片频率的计算 183.6 叶片结构设计算例 193.6.1 叶片气动外形参数 193.6.2 叶片材料选择 203.6.3 叶片结构形式 204 叶片结构介绍 .234.1 叶身的设计 .234.2 叶根的设计 .2
10、34.3 叶片剖面的形状 .244.4 叶根与轮槽配合图 .24VII5 结论与展望 .265.1 结论 265.2 展望 .26致谢 .27参考文献 .28DDL 型叶片结构与工艺设计DDL 型叶片结构设计11 绪论1.1 课题来源与背景发展可再生能源是当前世界一个共同的趋势，可再生能源是对气候变化和解决世界能源问题的重要技术手段。风力发电是一项新兴产业，尽管当前与常规火电相比有产业规模小，一次性投资大等不利因素，但风力发电对改善环境，减少污染物排放，优化资源配置，优化电力结构有着不可估量的作用。从长远利益出发是保证可持续发展的战略措施。在中国的新能源开发利用中，风力发电最具规模化开发条件和
11、商业化发展前景，会成为将来中国一大业。 风电是世界上增长最快的能源，装机容量每年增长超过30%。到2003年初，全球风力发电装机容量达到3200万千瓦，亦即其总量己经相当于32座标准的核电站，足以供应1600万欧洲普通家庭或4000万欧洲居民的电力需求。2005年2月旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的5京都议定书621也己正式生效，这对风电行业的发展无疑会带来十分积极的影响。我国的风力发电机组的制造进步较快，国产风机中某公司己经形成了600千瓦、750千瓦、1.2兆瓦系列化产品，技术水平均达到国内领先水平，所有机组均获得德国劳埃德认证，机组最高国产化率超过90%，其中1.2兆瓦机组
12、技术水平达到国际领先水平。近年来，工程设计师们都倾向于把结构材料利用到极限，使得各种结构越来越轻巧，以增加有效载荷，从而获得更大的经济效益。但这样一来，结构的挠性就增大，气流诱发的结构振动就严重了。随着科学技术的普遍发展，飞行器的速度及其动力机械部件运转的速度越来越快，地面建筑结构越来越高，桥梁跨度也越来越大，风力发电机组叶片越来越长，在空气动力作用下这些薄壁件都是很好的弹性体，极易变形而出现颤振。即结构与气流藕合振动问题的严重性在不断增长。从国内外风机的应用实际来看，由于设计中对动力学问题研究不够，造成风机不能正常运行，甚至失效和毁损的例子屡见不鲜。从我国内蒙、江苏等地风机的使用情况看，有许
13、多未经严格气动计算和动力学分析的风机，在运行中发生损毁的例子，有些样机在试运行期间问题就层出不穷，还没有投产就被迫中途停产，这些问题不解决，不但会造成巨大的经济损失，而且严重影响了风机的推广和应用。我国的制造水平和发达国家还有一定的差距，由于前期的基础研究跟不上，其中有很多没经过气动试验的叶片也在运行，叶片断裂时有发生，这些都严重阻碍了风力发电技术的进一步发展，所以要进行叶片的结构设计，使叶片本身具有很好的刚度和强度。1.2 国内外现状及前景1.2.1 国外风机叶片情况在风力发电机组中，复合材料部件主要有：叶片，机舱罩，导流罩等，其中用量最大的就是叶片。风机叶片具有尺寸大，外形复杂，精度要求高
14、，对强度和刚度要求高，表面粗糙度要求高，要求质量分布均匀性好等特点。是整个风机的最核心部分，占整个风电机组成本的 1/4 到 1/3。国外叶片研制向大型化，低成本、高性能、轻量化发展，丹麦某公司现己开发 54m 的全玻纤叶片，其单位 KW 小时成本很低，同时开发横梁和端部使用少量碳太湖学院学士学位论文2纤维的 61m 大型叶片，以开发 SMW 风机。德国某公司则开发 56m 长的碳纤维叶片，他们认为当叶片尺寸大到一定程度时，由于使用碳纤，材料用量的减少，可以使其成本不高于玻纤复合材料4；该公司现己开发的 44m 叶片仅重 9.6t。其中丹麦的某企业叶片占世界叶片市场的很大份额，有完整的叶片研发
15、、制造、试验、分析方案和设施，具有丰富的叶片设计经验。随着叶片长度的增长和海上风电的发展，叶片将遇到更复杂的气动力。进一步增加了由于气动力而导致破坏的危险。国外机组叶片大举进军中国市场，以 2004 年中国市场情况为例，国外机组占到市场份额的 75%，国内最大的某风机制造企业占到 20%；国内风机制造企业所用的叶片主要依靠进口和外资企业生产；只 20%叶片由国内生产；丹麦的世界最大的叶片制造商于 2001年在天津己经建立独资企业生产供应片；其它各国的风力行业领头企业也陆续要在天津投资建立叶片制造厂、总装厂。风力发电机组叶片是风力发电机的关键部件之一，叶片的好坏自接影响风力发电机的效率、寿命和性
16、能。而叶片的研制、生产涉及到多个学科，是高科技产品。由于国内缺乏制造大型风机叶片的技术基础，因此/九五 0 以前，我国的风力发电叶片几乎全部依赖进口。1.2.2 国内风机叶片情况当前，国内缺乏复合材料风机叶片设计的专业人才而国外己有 20 余年的设计制造历史，数十名一流的专业设计师集中在几个设计公司和制造企业，在叶片设计方面积累了丰富的经验；国外有专门的设计公司，开发出 10 余种专业软支持叶片设计，提高了效率和可靠性5。在叶片的制造工艺方面6 ，我国目前能实现批产的只有采用手糊工艺制造的叶片，而对于先进的制造技术如预浸料、RIM 等工艺正处于试验阶段；而国外己经实现先进工艺的产业化应用，很多
17、企业采用 RIM 工艺制造大型叶片和预浸料工艺制造叶片。DDL 型叶片结构与工艺设计DDL 型叶片结构设计32 叶片的研究与设计风力机叶片设计涉及内容十分广泛，需要满足一些要求，而优良的叶片设计就是在这些要求中找到一个最优的组合16。这些要求可归结为：(1)对于给定的风速分布，能够获得最大的年能量产值；(2)当风力机为失速型风力机时，应该能限制它的最大功率输出，以致风力机能正常运行；(3)能够承受极端载荷和疲劳载荷；(4)对于上风向风力机，应该避免叶尖变形过大而致使叶片和塔架发生碰撞；(5)应当避免叶片和塔架发生共振；(6)应当使得叶片的重量和成本在允许条件下达到最小。风力机叶片设计一般包括气
18、动设计和结构设计。气动设计包括确定叶片长度、翼型系列、弦长、扭角和厚度分布等几何参数，主要用来满足(1)和(2)的要求。叶片的结构设计包括叶片材料的选择、剖面形式和翼梁的设计，主要用来满足(4)和(6)的要求。一般来讲，气动设计决定结构设计即结构设计是在气动设计基础上进行的，但是风力机叶片的结构设计也不是完全被动的，它从结构角度提出修改意见，甚至改变某些断面形式以求得最佳气动效果和最佳的结构设计2.1 风力机典型结构从能量转换的角度来看，风力发电机组包括两大部分：风力机，将风能转换为机械能；发电机，将机械能转换为电能。 风力机的分类方法有很多：按照收集风能的结构形式及在空间的布置，分为水平轴风
19、力机和垂直轴风力机；按塔架位置，分为上风式和下风式；按叶片数量，分为单叶式、双叶式、三叶式、四叶式和多叶片式；按叶片形分为螺旋桨式、H 型。 ；按风力机容量，分为微型(1kW 以下） 、小型（1-10kw）中型（10-100kw ）和大型（100kw 以上） ，其中 1000kw 到 2000kw 以下称为兆瓦级，2000kw 及以上又称为多兆瓦级。（1）水平轴风力机水平轴风力机是指风轮轴线的安装位置与水平面夹角不大于 15。的风力机。水平轴风力机有传统风车、低速风力机和高速风力机等三大类型。传统风车历史悠久，结构原始，现在遗留下来一些，除经济不发达地区还保留作提水、碾米、磨面等用途外，在发达
20、国家主要作为人类文化遗产而精心保存。低速风力机在美洲及欧洲尚有部分存在，其风轮有叶片有 1224 片，几乎覆盖了整个旋转平面，风轮后面有保持迎风位置作用的尾翼。这种风力机的最大直径约为 5sm，美国曾制造过直径达 15m 的低速风车，这种风车适用于在低风速地区，当风速为 23 耐 s 时就可以转动，启动力矩相对较高。高速风力机风轮叶片仅 24 片，与低速风力机相比，高速风力机有重量轻，能承受的离心力大，转速高，价格低的优点。不足之处就是启动困难，如没有其他辅助设施，风速需达到 5 耐 s 方能转动。由于高速风力机转速高，叶尖速比可达到 10，在相同直径太湖学院学士学位论文4时，扭矩也较低，因而
21、它非常适合风力发电，其风轮轴还可以通过变速齿轮箱与发电机匹配。为尽可能好地利用自然风，这种风轮可用尾舵或自动调向装置自动调整风轮正面面迎风。（2）垂直轴风力机垂直轴风力机是指风轮轴线的安装位置与水平面垂直的风力机。垂直轴风力机在风向改变时无需对风，这是相对水平轴风力机的一大优点，它不仅使结构设计简化，而且还减少了风轮对风时的陀螺力。这类风力机的形式较多，如 S 型、H 型、达里厄型等。这类风力机有许多特点，如增速器、联轴器、发电机等可安装在地面上，安装维修方便，不用调向，叶片制造简单等，研究日趋增多，各种形式不断出现。2.2 叶片载荷分析2.2.1 载荷分类在风力机的设计中必须对其运行时所处的
22、环境和各种运行条件所产生的各种载荷进行精确地分析与计算。其目的是为了对风力机进行强度分析(包括静强度分析和疲劳强度分析)、动力学计算分析以及寿命计算，确保风力机在其设计寿命期内能够正常地运行。该项工作是风力机设计中最为关键的基础性工作。所有后续的风力机设计工作都是以载荷计算为基石出。由于风力机运行在复杂的外界环境下，并且它有不同的运行状态，所承受的载荷很多。根据不同的标准，可以对作用在风力机上的载荷进行分类。(l)根据载荷的来源，可以分为气动载荷、重力载荷、惯性载荷(包括离心力、陀螺载荷)、功能载荷(包括刹车、偏航、叶片变桨距控制以及发电机脱网等产生的载荷)和其他载荷(塔影、流过塔架的旋涡脱落
23、、不稳定性等将导致其他载荷或载荷效应；叶片振动可发生在摆振和挥舞方向上，这两种振型都有可能被负的气动阻尼激发)。(2)根据风力机运行状态随时间的变化，载荷可分为稳态载荷、瞬时载荷、周期载荷和随机载荷。1 稳态载荷(也称静载荷或准静载荷)，包括：作用在风轮叶片上的气动载荷、离心载荷、机舱和塔架的重力载荷和气动阻尼等；2 瞬时载荷，包括：由阵风、斜风、偏航制动、脱网等引起的载荷；3 周期载荷，包括：塔影效应对叶片产生的载荷、叶片旋转引起的重力载荷、气动不平衡产生的载荷、风廓线引起的载荷等；4 随机载荷，包括：风轮启动，发生地震等引起的载荷2.2.2 载荷计算的坐标系风力机运行在复杂的自然环境之中，
24、所受到的载荷十分复杂。要对风力机中各个零部件的载荷进行计算，就有必要选择恰当的计算工具。而坐标系是一种很好的辅助计算工具，在恰当的坐标系之下可以方便快捷的计算载荷，达到事半功倍的效果。设计风力机时会有不同的设计要求和不同的性能计算，这就需要在风力机上建立不同的坐标系。本文采用常用的三坐标系，如图 2.2 所示。(l)叶片坐标系：其原点位于叶片根部中心处，并随风轮旋转，各坐标轴的方向如图2.2(a)所示。DDL 型叶片结构与工艺设计DDL 型叶片结构设计5(2)轮毅坐标系：其坐标原点位于风轮中心，且不随风轮转动，各坐标轴的方向如图2.2(b)所示。(3)塔架坐标系：其原点位于风轮轴和塔架轴的交点
25、上，且不随风轮转动，各坐标轴的方向如图 2.2(c)所示。图 2.2（a）叶片坐标系图 2.2（b）轮毂坐标系太湖学院学士学位论文6图 2.2（c）塔架坐标系风力机叶片的受力情况比较复杂，为方便分析，可简化为三种力：气动力、离心力和重力，叶片受力情况如图 2.3图 2-3 叶片受力示意图2.2.3 气动载荷（记作 s）作用在风轮(主要是叶片)上的气动力是风力机最主要的动力来源。风轮是风力机最主要的承载部件。计算风力机载荷之前必须计算作用在叶片的上的空气动力。目前计算作用在叶片翼型上的气动力主要依据片条理论，该理论综合了叶素理论和动量理论，根据该理论可以得到：（1）叶片上单位长度翼型断面的气动力
26、：22(cosin)1xldxFsdrWCCq（2.1）22(sis)yldysr DDL 型叶片结构与工艺设计DDL 型叶片结构设计7（2.2）式中 为空气密度；W 为相对速度；C 为剖面翼型弦长；为来流角；、 分别为翼型升力系数和阻力系数。ld（2）气动力剪力：RxsxsrqdQ（2.3）RysysrqdQ（2.3）式中，R 风轮半径；r轮毅中心到翼型断面的距离。 （3）气动力弯矩：11)(drqMysRrxs（2.4）11)(xsRrys（2.5）式中， 积分变量1（4）气动力扭矩：dryqdrxqMcpRxscpRrysKs )()(（2.6） 式中， 该向量指向负 oz 轴方向为正，
27、即使 角减小的方向为正s P翼型断面压力中心；C扭转中心。2.2.4 重力载荷（记作 u）（1）单位长度重力：设和分别为剖面各部分的密度和面积。于是，cos0gFqyu（2.7）in0Ru（2.8）式中， 叶片旋转方位角；太湖学院学士学位论文8和 分别为折算的密度和面积；0F重力加速度。g（2）重力拉力或压力：sin10RrudP（2.9）（3）重力剪力：cos10RryudgFQ（2.10）式中： 轴倾角（4）重力弯矩：cos)(101RrxudrgFM（2.11）（5）重力扭矩10)(drxgCGRrKu（2.12）式中，G叶片重心2.2.5 离心力载荷（记作 v）由于风轮绕主轴旋转而产生
28、离心力载荷，作用在翼剖面的重心上，与重力载荷相互作用会给叶片带来很大的作用力，计算时必须予以考虑。（1）单位长度离心力 rFqRv02（2.13）GyvY02（2.14）式中： 风轮的旋转速度离心拉力：102drFPRrv（2.15）（2）离心剪力：102drYFQGRryv（2.16）（3）离心力弯矩：DDL 型叶片结构与工艺设计DDL 型叶片结构设计91021)()(drYFrMGRrxv（2.17）1021)(YRrGyv（2.18）或Rr RrGxv dYdFM10102 )()(（2.19） （4）离心率扭矩)()()( 1011102 drYrXdrYrXGRGRrGKv （2.2
29、0）2.3 使用载荷和设计载荷使用载荷是指风力机正常使用中可能出现的最大载荷17。在该载荷的作用下，结构不产生妨碍风力机正常运行的有害变形，卸载后不遗留有害的残余变形。设计载荷是使用载荷与安全系数的乘积，是结构能承受的最大载荷，预计在大于或等于该载荷作用下，结构将破坏或丧失承载能力。用于设计风力机结构、强度校核计算和进行极限载荷或破坏试验。计算风力机部件的极限载荷用来分析风力机部件最大强度、疲劳失效、稳定性以及变形，在载荷的计算过程中，必须针对上述每种设计载荷工况，计算 2.2 节中规定的载荷。由于载荷的计算和材料的实际特性有许多不确定性因素，因此有必要使用局部载荷安全系数方法来具体说明材料特
30、性18该方法分为两部分：(l)确定材料的设计特征；(2) 选择材料的局部安全系数为了求得极限载荷，就必须要得到载荷函数 S(凡 )，它应该满足以下关系式：)(fRFSdn式中 失效后果系数c 抗力函数)(f载荷的设计值d材料特征的设计值f一般来讲，载荷函数是预应力的最大值，而抗力函数是最大允许设计值。载荷的设计值可以通过以下关系式计算kfdF（2.21）式中： -载荷的特性值kF太湖学院学士学位论文10-载荷的局部安全系数f材料的设计特征值通过下式计算：kmdff1（2.22）式中： -材料的特性值kF-材料的局部安全系数f载荷的局部安全系数应大于 1.0，正常情况下，取值在 1.0-1，5
31、之间材料局部安全系数至少为 1.1，失效后果系数至少为 1.0。表 2-2 载荷的局部安全系数不利载荷 有利载荷载荷工况类型载荷来源正常和极端 非正常 运输和吊装所有载荷工况气动载荷 1.35 1.1 1.5 0.9运行载荷 1.35 1.1 1.5 0.9重力载荷 1.1/ 35.11，1 1.25 0.9其他惯性力 1.25 1.1 1.3 0.9注： 当大部分载荷参数不是以质量来确定时的取值2.4 叶片材料的选择风力机叶片占整个风电机组成本的 15%一 20%。叶片所使用的材料不仅影响叶片的性能和效率，还影响单位发电量的成本叶片材料的选择是叶片结构设计之前很重要的一项工作，优良的材料是风
32、力机叶片具有优异特性的重要保证。由于叶片运行于野外，恶劣的气候频繁发生，因此叶片材料的选择受到很多因素的制约。例如：材料的特性、可靠性、安全性、物理属性、可用性、易处理性、回收再利用特性以及经济特性。材料选择的原则如下：用于制造叶片的材料必须具有良好的力学、热、化学特性，包括高强度、高刚度、低密度、长寿命、良好的耐腐蚀性等等；材料要易于加工制造、价格合理、能够保证加工制造过程中不产生污染环境的废物。本节对风轮叶片的材料特性及叶片的结构予以介绍。理想的叶片材料应具有一些必要的结构特性(较高的比强度、较大的疲劳寿命和刚度)、低成本并且可以形成需要的翼型断面形状。表 2-3 给出了叶片一些常用材料和
33、可选用材料的结构特性便于比较，表中给出了各种材料的耐压比强度、疲劳强度与耐压强度的比值(百分比)、比刚度以及板件复原参数。)/2UCSE从表中我们可以清楚看到，玻璃纤维增强塑料和碳纤维增强塑料比其他材料有更高的耐压比强度。但是，这个明显的优点并不像它表现的那样具有决定性，这是因为，在一些包装层压叶片壳体的层板中，纤维都偏轴排列(典型的以 45.排列)来抵抗剪切载荷，这样就减小了轴向强度；这些复合材料有较低杨氏模量，这意味着设计中占主导地位的是蒙皮抗皱损而不是简单的抗压屈服。结构失稳的可能性与板件复原参数成反相关，因DDL 型叶片结构与工艺设计DDL 型叶片结构设计11此板件复原参数较大的材料，
34、如木材，不易发生屈曲失稳。这样，在同等条件下，木制叶片比玻璃纤维复合叶片更轻。与其它的材料相比，由于木质层板有较低的强度，因此木质层板不适合制造运行于高尖速且有细长翼弦的叶片，叶片运行在高尖速时，它的挥舞弯矩相当高。曾有报道，对于失速调节型风力机，叶片的应力对转速十分敏感，当蒙皮的厚度与弦长的比值一定时，应力以转速的 4 次方增加。尽管可以通过增加厚度来减小应力，但当厚弦比超过 3一 4%时，厚度增加会使得风力机效率降低。疲劳特性可以用 1 护循环时平均疲劳强度占极限疲劳强度的百分比来表示。显然，碳纤维和卡欧属/环氧叶片的疲劳特性较好，其值为 30%。比刚度决定叶片的自然频率。除碳纤维增强塑料
35、外，其它材料的比强度都相对较小(18 一 27GPa 之间) ，这说明材料的选择对动力特性影响较小。从上面的分析可以看出，碳纤维复合材料有最好的多方面结构特性但是由于它比其他的材料更贵(是玻璃纤维的 10 倍)而没有得到普遍应用。反而，得到广泛使用的是玻璃纤维/聚酷，玻璃纤维/环氧树脂和木质/环氧层板。原料钢是最便宜的材料，并且能够按照翼型轮廓形成变截面、弯曲的面板。但是由于这个面板难以扭曲，且疲劳特性差，因此刚很少用来制造风力机叶片。相反，玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料能够自动浸渍保存在模具中，而这个模具能够形成合适的翼型、叶片平面形状以及扭曲。层板复合叶片也以类似的方式制成，只是胶合板厚
36、度需要加以限制，以确保胶合板能够弯曲来满足铺层的曲率。表 2-3 各种材料的结构特性比较材料 极限抗张强度（）MPa密度（s.g)耐压比强度（UCS/s.g）平均疲劳强度（）MPa疲劳强度占的百分比弹性模量 E()GPa比刚度（E/s.g）板件复原参数纤玻/聚酶层板玻纤/聚酶层压塑料碳纤/聚酶层板卡殴属/环氧层压塑料桦树/环氧层压板高屈服钢可焊接铝合金8609006907201830821175102951.851.851.580.550.677.852.7139031070090121651091401203501516.5501719%21%32%30%20%10%6%3833.51421
37、0152106920.518901822.52725.50.070.10.1242.30.810.79目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃钢，对于长度超过 40m 叶片，有采用碳纤/玻璃纤维混杂复合材料，由于碳纤维的价格高，未能推广。估计今后一段时间内，玻太湖学院学士学位论文12璃钢复合材料仍将是大型风力机叶片的主流材料。 3 叶片的结构设计3.1 叶片剖面结构形式设计叶片剖面结构形式的设计是叶片结构设计的重要环节，它的设计好坏对叶片结构性能影响很大。在设计中，我们一般根据叶片具体技术要求，选择采用恰当的叶片截面类型。截面类型主要有：实心截面，空心截面及空心薄壁复合截面等。当用玻璃钢材料来制
38、造叶片时，必须注意到材料的强度和弹性模量与其它类型材料的差异和工艺上的多样性，并且最好选用较厚的叶型设计成空腹结构。但空腹薄壁结构在受载时容易引起失稳和局部变形过大，因此一般都在空腹内充填硬质泡沫塑料.蜂窝或设置加强肋，以提高叶片总体刚度。DDL 型叶片结构与工艺设计DDL 型叶片结构设计13图 3.1 叶片典型剖面结构叶片剖面的结构应根据叶片尺寸大小、荷载情况、制造工艺有所变化。如主梁较宽，主梁的上下缘应采用夹层结构，以免产生屈曲失稳。或主梁宽度设计得较窄，可不采用夹层结构，但要进行屈曲稳定验算。前缘空腹由于曲率较大，抗屈曲失稳能力较强，通常不需要采用夹层结构，但前缘空腹宽度较大时应考虑采用
39、夹层结构。蒙皮的增强层也可采用纤维毡与织物交替铺设。剖面结构形式确定之后，必须对叶片剖面几何特性进行计算。由于沿叶片轴线方向，叶片的弦长 C，相对厚度 t/C 以及所选取的翼型都是变化的，所以叶片剖面几何特性的计算工作量较大。需要计算的剖面几何特性有：面积 F：重心；惯性矩 ， ；静矩 ；扭转刚度 等等20 。计算中，以叶片剖面翼型GXYxIyxSykJ的前缘点作为坐标原点，翼弦方向为 x 向，垂直于 x 向和剖面翼型上下表面的交点就是叶片剖面翼型 y 坐标。如图 2-5 所示。图 3.2 翼型剖面图太湖学院学士学位论文14剖面面积21()0cxDFdxydy（3.1）式中：C 剖面翼型的弦长
40、；和 分别为剖面的上下表面的 Y 向坐标曲线函数)(1x2（2）剖面重心 (,)yDxydMGX（3.2） (,)GxDyxdyMY（3.3） 假设叶片的材料密度是均匀的，即 (,)xy=常数，则1xGFDXdy（3.4） 1FY（3.5） (3)静矩x=ydAS（3.6） yxdAS （3.7）DDL 型叶片结构与工艺设计DDL 型叶片结构设计15(4)极惯性矩如果坐标原点是叶型的前缘点则对该坐标系的轴惯性矩为2x=yDId（3.8）2yI（3.9）此时坐标系平移，原点在质心处，那么相对于质心轴系的轴惯性矩为2=XIFY（3.10） 2y（3.11） 由以上各式可求得相对于质心的极惯性矩为p
41、=+I （3.12）(5)扭转刚度krPGIJ（3.13）式中：G- 剪切模量；r-轮毂中心到翼型剖面的距离3.2 叶片铺层设计叶片的铺层设计是 DDL 叶片结构设计的另一个重要环节。叶片的铺层是由叶片所受的外载荷决定的，无论是弯矩、扭矩和离心力都是从叶尖向叶根逐渐递增，所以叶片薄壁结构的壁厚是从叶尖向叶根逐渐递增加叶片除满足强度要求外，还需满足变形条件，特别是长的叶片尤其注意叶身设计尽可能按等强度布置，叶根安全系数较大。3.2.1 铺层设计原则 (1)均衡对称的铺设原则：铺层对中面对称；若有-45 层，则应用 45 与其平衡。(2)铺层定向原则：铺层方向数应尽可能少，以简化铺层工作量。设计中
42、常采用0， 90，+45，-45 四种铺层方向，如需设计成各向同性层合板，可用0/45/90/-45或60/0/60(3)按照内力方向的铺层取向原则：对于承受单轴拉伸或压缩载荷，纤维铺设方向应与载荷方向一致；对于承受双轴向拉伸或压缩载荷，纤维方向按 90 或 0 方向铺设；对于承受剪切载荷，+45， -45 成对铺设；对于承受拉伸或压缩和剪切的复合载荷，0， 90，+45，-45 多向铺设(4)铺层最小比例原则：所有铺层中，最小铺层百分比应大于或等于 6%10%太湖学院学士学位论文16(5)铺层顺序原则：应使各定向层尽量沿层合板均匀分布，既要使层合板的单层组数尽量地大，使每一单层数尽量小，一般
43、不超过 4 层；若层合板中含有土 45/层，0o 层，900 层，应尽量在+45/层和 -45/层之间用 0o 层或 900 层隔开；尽量在 0o 层合 900 层之间用 45/层或-45/层隔开。(6)抗局部屈曲设计原则：对于局部屈曲为临界设计情况的构件，应把 45/铺层尽量铺设在远离结构中性层的位置上，即两侧表面上。(7)变厚度设计原则：一般依据板件载荷的大小设定铺层厚度，载荷越大，铺层越厚；载荷越小，铺层越薄。(8)冲击载荷区设计原则：足够多的纤维铺设在冲击载荷方向。3.2.2 铺层设计过程由于叶片的剖面尺寸一般远比叶片的长度小，故叶片的强度和刚度计算可以简化为根端固定的悬臂梁来考虑，如
44、图 3.3 所示。图 3.3 叶片简化受载示意图通过积分可以求出作用于叶片各剖面的弯矩 扭矩 和离心力 P 剪力 在叶片壁上xMy xQy取出一个微元来分析，则作用在它上面的应力主要有沿叶片轴向的 ，垂直叶片轴向的1和剪应力212参照已有叶片数据和积累的设计经验，可以初步假定叶片各剖面的壁厚分布和主要弹模量 (沿叶片轴向)和剪切模量 然后根据材料力学组合梁理论计算各剖面的应力和1E12G尖最大变形(包括挠度和扭角)，经过多次反复，达到初步符合要求。接着就可安排各剖面的层铺设，并计算其弹性性能使其接近所假定的 ， ，然后再计算应力，并按此布层1E2G铺设进强度、刚度校核，再调整布层铺设，直到满足
45、要求为止。整个过程是一个反复的迭代过程.3.3 叶片强度和变形设计DDL 型叶片结构与工艺设计DDL 型叶片结构设计173.3.1 叶片的应力计算（1）剖面上的正应力为pb=+ （3.14） 式中 p一离心拉力引起的正应力，201r()drRRFP（3.15）b为弯曲力矩引起的正应力MIbII（3.16）（2）剖面上的剪应力为cosinXYQ （3.17）iY （3.18）及 引起的剪应力可按组合梁方法计算Q对于单腔等厚薄壁剖面，剪应力为2QSI（3.19）I（3.20）扭转剪应力为kM（3.21）所以 剪应力 QK （3.22）3.3.2 叶片的变形计算(1) 沿 R 方向的叶尖位移，此位移
46、是由离心拉力所引起，即太湖学院学士学位论文181rdRPEF（3.23）(2) 叶尖的扭转角1rdKRMGJ（3.24）(3) 叶尖在 x 及 Y 方向的位移由于 较大，可以不计 方向的变形，于是Ix 方向的变形为1cos)(drRrEIM（3.25）Y 方向的变形为1sin)(dryRrEIM（3.26）则总变形为)(2yx（3.27） 3.4 叶片根端连接设计叶片根端连接设计也是叶片结构设计的重要环节之一。因为叶片所受的各种载荷，无论是离心力还是弯矩、扭矩、剪力都在叶片根端达到最大值。叶片根端连接设计的任务就是把整个叶片上所承受的载荷传递到轮毅上去。叶片根端必须具有足够的剪切强度、挤压强度
47、，与金属的胶接强度也要足够高，这些强度均低于其拉弯强度，因此叶片的根端是危险的部位，设计应予以重视。下面介绍两种叶片根端形式1.翻边螺栓连接这种形式的叶根像一个法兰翻边。在此法兰上，除了有玻璃钢外，还与金属盘对拼，在金属盘上的附件与轮毅相连如图所示DDL 型叶片结构与工艺设计DDL 型叶片结构设计19图 3.4 翻边连接示意图在这种连接方式中，叶根处玻璃钢仍然主要承受剪切应力。虽然玻璃钢的断纹剪切强度(比层间剪切强度) 高，约为 70 一 80MPa，但叶根强度仍由翻边出的剪切强度控制。为了提高叶根处承载性能，叶片铺层应在叶根附近加厚以扩大承力面积，螺钉应尽量靠近叶根，法兰顶面使用一个压环，并
48、注意在翻边转角处采用圆弧过渡等措施2.预埋金属根端连接在根端设计中，预埋上一个金属根端，此结构一端可与轮毅连接，另一端牢固预埋在玻璃钢叶片内。这种根端设计，主要用于新研制的玻璃钢叶片。这种结构形式避免了对玻璃钢结构层的加工损伤，经过外试验机构试验证明是最可靠的，唯一缺点就是每个螺纹件的定位必须准确，如图图 3.5 预埋金属根端叶根以上介绍了两种主要的叶片根端连接设计，在实际设计中，还应根据具体情况进行变更。总的要求是要在保证叶片安全使用，叶根处有较好的承载能力条件下，考虑工艺方法及应用性能等方面的因素 3.5 叶片频率的计算叶片的振动主要由地面表面层效应(即风剪切)以及塔架在不同谐波频率时的导槽引起。在共振情况下，叶片会产生激励振动，这是叶片
