多軸向織物風機葉片的應用及其強度理論校核摘要：風能的大規(guī)模的開發(fā)與應用正符合我國可持續(xù)發(fā)展道路。隨著葉片的加長，其重量也在不斷增加,按傳統(tǒng)的材料制作已達到噸的數(shù)量級,葉片運行后由于尖速比的存在,使得葉片根部受到的離心力很大。當風力大到一定程度時,葉片的受力模型為一懸臂梁結構,因此加長型的風力機葉片材料必須是高強高模輕質型的,否則葉片的壽命將會縮短。多軸向織物正是這些優(yōu)良材質的載體，在加長葉片長度的同時，我們又不得不考慮其強度問題，若在加長葉片長度的時又能滿足其強度要求，那么多軸向織物確將會成為未來風能發(fā)電機葉片設計制造中的首選材料。關鍵詞：風機葉片；多軸向織物；強度校核多軸向經(jīng)編織物的結構多軸向經(jīng)編織物是由經(jīng)編針織系統(tǒng)固定在一起的基布,由一層或多層平行伸直的紗線層組成,每層紗線可以排列在不同的方向,每層紗線的密度可以不同,并可以與纖維網(wǎng)、膠片、泡沫材料或其他材料結合,共同形成三維網(wǎng)絡整體結構。利用此技術這種技術,平行伸直、無卷曲的紗線垂直或以所需的角度被引入織物結構中,實現(xiàn)最有效的結構預設計定向增強。多軸向經(jīng)編織物在0°、90°、±θ角的方向都有增強紗線。θ角可以在30～90°之間變化。多層紗片由經(jīng)平組織或編鏈組織綁縛在一起。多軸向織物實質上是一種多層織物。纖維鋪設在面內(nèi)不同方向(襯紗系統(tǒng))及沿厚度方向(綁縛系統(tǒng)),形成由纖維束構成的三維網(wǎng)絡整體結構。圖2是典型的多軸向經(jīng)編成品。多軸向經(jīng)編織物的特點a織物的抗拉強力高。b織物的彈性模量高。c織物的懸垂性好。d織物的抗剪切性能好。e織物的抗撕裂性能好。f織物的抗彎能力高。g織物的抗沖擊能力高。h織物形成復合材料的纖維含量較高。i經(jīng)編多軸向織物的抗脫層強力較高。j準各向同性特點。多軸向織物由各不同角度鋪層的紗線層合而成,由不同取向的經(jīng)紗層承擔各個方向的負荷。k鋪設性和預成型性好。l經(jīng)編多軸向織物的原料范圍廣。三、多軸向經(jīng)編織物在風力機葉片中的應用經(jīng)編多軸向織物采用玻璃纖維和碳纖維作為葉片的主要材料。葉片是主梁和表面蒙皮通過粘膠的制造工藝完成。表面蒙皮分為上蒙皮和下蒙皮,它們覆蓋于主梁之上,主梁的剖面造型總體相似,如有玻璃纖維覆面的蜂窩芯結構、玻璃纖維面的空心梁和金屬肋和金屬片覆面的空心梁。蒙皮的性能的好壞直接影響到葉片的壽命,傳統(tǒng)材料制作的蒙皮表面出現(xiàn)一微小裂紋則其耐疲勞性大大降低,小裂紋隨之發(fā)展為大裂紋直至葉片的破壞。而多軸向經(jīng)編織物則是發(fā)揮玻璃纖維或者碳纖維優(yōu)良性能的一個平臺,它用于蒙皮之中能完全適應大型葉片對蒙皮的各項性能要求。葉片的各個區(qū)域受力情況不同,葉片各部位要求的厚度也不一樣,多軸向經(jīng)編織物鋪的層數(shù)就不同。性能要求高的區(qū)域紗層多,非主受力區(qū)域鋪的層數(shù)略少,以節(jié)省原料成本。多軸向織物在織造過程中所使用的地組織起固定紗線的作用,同時具有良好的抗分離性能和抗撕裂性能,又易于編織,因宜選擇低模高強的纖維。葉片強度校核3—1通過建立的葉片有限元模型，該葉片應用于風光互補風力發(fā)電設備，葉片全長1250mm，功率400W，額定風速7m/s。在額定風速工作狀態(tài)下，葉片受力有重力、離心力和來流氣動力。所受風載可分解為垂直于風輪平面的法向力和作用于風輪平面內(nèi)的切向力。由于葉片截面為扁平狀，切向力產(chǎn)生的彎矩對葉片的彎曲和強度影響很小，可以忽略不計。故強度分析中僅考慮法向力，通過沿葉片展向的分段積分將法向分布力轉化為若干集中載荷，并施加于梁模型對應位置的單元節(jié)點上，即為葉片所受的實際風載，節(jié)點集中力載荷的數(shù)值見表3-2。當葉片轉轉至水平位置，重力方向與葉片徑向垂直，將在各截面引起彎曲應力，故選擇該時刻分析重力對葉片彎曲的影響，葉片所受重力可以通過對模型施加慣性加速度來實現(xiàn)。由于離心力大小僅為重力的1/8，并且方向沿葉片的徑向，可以忽略不計。小型風力機葉片由螺栓直接固定于轉軸，因此可以認為根部固定端各個節(jié)點自由度全約束。最終的有限元計算模型如圖3-3所示。表3-2沿400W葉片展向的集中力分布Table3-2Spanwisedistributionofintegratedforcewiththe400Wblade.圖3-3最終的葉片有限元模型Fig.3-3thefinalFEmodelwithboundaryconditions圖3-4為Mises應力的分布云圖，由圖可知葉根及葉片中部出現(xiàn)應力集中，這兩位置也是葉片最容易出現(xiàn)疲勞損壞的位置。最大應力發(fā)生在葉片中部位置，約為max19.8MPaσ=。該值遠低于玻璃鋼材料的拉伸強度325Mpa..圖3-4葉片的Mises應力分布圖Fig.3-4theMisesstressdistributionoftheblade圖3-5為葉片的法向位移分布，葉尖處的法向最大位移為max64.75yDmm=。該值遠小于風輪旋轉平面與風力發(fā)電機支撐桿的水平間距，葉片不與其發(fā)生干涉，可以安全運行。.圖3-5葉片的法向位移分布圖Fig.3-5thenormaldisplacementdistributionoftheblade從梁模型與葉根3D模型聯(lián)接端面開始到葉尖末端，彎曲應力沿葉片展向的分布如圖3-6所示。彎曲應力極值出現(xiàn)在距葉尖400mm處，其值為max12.8MPa，該極值也遠低于材料的拉伸強度352MPa。.圖3-6葉片梁模型彎曲應力分布圖Fig.3-6thebendingstressdistributionofthebladebeam通過將風載等效為多點集中力載荷，并考慮在葉片處于水平位置時受重力，進行了有限元強度分析。結果表明在額定風速下，葉片根部固定端與葉片的中段部分出現(xiàn)應力極值，是最容易出現(xiàn)結構損壞的部位，但應力值遠低于材料的拉伸極限，是安全的。通過有限元分析驗證了葉片設計的可行性。此方法簡單有效、便于施加力邊界條件，提高了計算分析效率，可應用于風機葉片在各種工況下的強度分析。結束語：葉片材料選擇以后,就是對材料的組合利用。就性能優(yōu)勢而言,多軸向結構是最優(yōu)良的組合方式,它有著其他組合方式不可具備的性能,是發(fā)揮玻璃纖維和碳纖維性能的最好平臺。我國的風力發(fā)電研究起步較晚,多軸向織物在葉片中的應用很少,但發(fā)展迅速,相信隨著葉片的不斷加長,多軸向織物在葉片中的應用將會有非常廣闊的前景。通過前后不同的強度校核都驗證了材料都滿足強度要求。故以玻璃纖維和碳纖維為主的多軸向織物風機葉片滿足強度要求，所以多軸向織物確實是一種應用于風機葉片的好材料。高強度、低重量是社會發(fā)展對材料提出的最新要求,多軸向經(jīng)編織物是目前滿足這一要求的最佳方法。參考文獻：[1]SHERWOODK．Blademanufacturingimprovementproject：finalreport，SAND2002—3101，Oct．2002．[2]HUANGZM．Simulationofthemechanicalpropertiesoffibrousocxmpositesbythebfidgirigmicromechanicsmodd，CopositesPartA：appliedscienceandmanufacturing，2001(32)：143—172．[3]張希良.風能開