1 引言

    葉片是風(fēng)電機(jī)組的主要部件之一，由于葉片直接迎風(fēng)獲得風(fēng)能，要求其有合理的結(jié)構(gòu)、適合的材料和工藝以使葉片能可靠地承擔(dān)風(fēng)力和自重離心力給予葉片的各種彎矩和拉力。葉片的結(jié)構(gòu)一般采用承載層和夾心復(fù)合而成，承載層是由不同方向纖維層合而成。葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是葉片各截面構(gòu)造；另一個(gè)是該截面鋪層材料選擇、鋪層布置與厚度計(jì)算。

    目前，國(guó)內(nèi)還沒有完全掌握大型葉片結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)原理及計(jì)算技術(shù)，即實(shí)用葉片結(jié)構(gòu)鋪層“工程算法”。若用有限元法進(jìn)行3-D模擬迭代設(shè)計(jì)將十分耗時(shí)費(fèi)力，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)路線時(shí)間要3一4月，設(shè)計(jì)周期太長(zhǎng)。本文旨在研究結(jié)構(gòu)鋪層厚度在葉片截面這種復(fù)雜的幾何構(gòu)型上變化的板殼材料力學(xué)依據(jù)，以探討其中的設(shè)計(jì)原理和方法。具體做法是采用隔離體分析法，沿葉片長(zhǎng)度方向?qū)⑷~片分成若干段，針對(duì)葉片經(jīng)典構(gòu)型，即蒙皮、主梁和腹板的構(gòu)造形式，采用復(fù)合材料經(jīng)典層合板理論以及板殼梁理論，對(duì)蒙皮，主梁和夾芯層分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，并運(yùn)用具有符號(hào)運(yùn)算功能的Matlab軟件編制葉片結(jié)構(gòu)鋪層計(jì)算程序，在已掌握了大型葉片氣動(dòng)外形工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)和計(jì)算工具的掌握。

2 葉片板殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論

    2.1葉片載荷特征及其板殼結(jié)構(gòu)

    葉片主要承受氣動(dòng)載荷和自重離心力，氣動(dòng)載荷使葉片承受彎曲和扭轉(zhuǎn)，自重離心力使葉片承受拉伸力。鑒于葉片的實(shí)度幾何特征，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核葉片強(qiáng)度和剛度時(shí)，往往將葉片簡(jiǎn)化為根部固定的懸臂梁，承受自重、離心力和氣動(dòng)載荷所引起的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用。以葉片上述載荷與懸臂梁約束的力學(xué)特性講，氣動(dòng)外形蒙皮環(huán)鏈內(nèi)嵌主梁所形成的中空板殼復(fù)合梁是葉片結(jié)構(gòu)承載功能設(shè)計(jì)優(yōu)化的體現(xiàn)。航空上常常把主梁空間化，增加幾何慣矩或剛度，以用這類復(fù)合梁來(lái)承載較大的彎矩載荷。

    葉片采用隔離體分析法，將長(zhǎng)度為40.3m的葉片分成40段，對(duì)每一段分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)。

    2.2層合板理論

    葉片蒙皮板殼將由復(fù)合材料層合板構(gòu)成。層合板主要由單向?qū)雍褪?5“層組成。單向?qū)右话悴捎?:1的單向布沿軸向鋪設(shè)，以承受由離心力和氣動(dòng)彎矩產(chǎn)生的軸向應(yīng)力正負(fù)45度層一般放在單向?qū)拥耐鈧?cè)，采用經(jīng)緯纖維量相等的平衡型布作正負(fù)45度鋪設(shè)．以承受主要由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。在鋪層設(shè)計(jì)時(shí)往往要求吸力面和壓力面的鋪設(shè)達(dá)到鏡面對(duì)稱，以防產(chǎn)生葉片翹曲變形。鋪層數(shù)從葉根到葉尖逐步減少，盡量使懸臂葉片達(dá)到等強(qiáng)度布置。

    層合板設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)鋪層的力學(xué)目標(biāo)性能確定層合板中布類型、鋪層的鋪設(shè)方向，各鋪層的鋪設(shè)次序，各定性鋪層相對(duì)于總層數(shù)的百分比和總層數(shù)【層合板厚度）等。由于層合板力學(xué)行為的復(fù)雜性，目前，層合板一般都設(shè)計(jì)成對(duì)稱層合板，且鋪設(shè)方向均衡。又鑒于鋪設(shè)方向過(guò)多帶來(lái)的復(fù)雜性，一般鋪層的鋪設(shè)方向限于選擇0度、90度和45度方向。鋪層的鋪設(shè)方向一般依據(jù)層合板所承受負(fù)荷來(lái)確定。通常00鋪層來(lái)承受軸向荷載，450鋪層承受剪切荷載，900鋪層承受橫向載荷和控制泊松比。各鋪層的鋪設(shè)次序可按如下原則確定：

    (1）一般要使士45度鋪層成雙鋪設(shè)，以減少士45度鋪層與0度，90度。鋪層之間的層間剪應(yīng)力，防止鋪層組層間分層(IFF)。同時(shí)，要盡量使士45度層位于層合板的外表面，以改善層合板的受壓穩(wěn)定性、沖擊性能和連接孔的強(qiáng)度。

    （2）如果層合板不同位置厚度不同，應(yīng)使板外表面鋪層保持連續(xù)，而變更其內(nèi)部鋪層。為避免層間剪切破壞，各層臺(tái)階寬度應(yīng)相等。要防止鋪層邊緣剝離，可用一層內(nèi)鋪層覆蓋在臺(tái)階上。

    至于各鋪層的層數(shù)，層合板總層數(shù)的確定，是根據(jù)對(duì)層合板承載設(shè)計(jì)要求綜合考慮確定的，一般可采用準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)法，等代設(shè)計(jì)法，卡皮特曲線設(shè)計(jì)法，主應(yīng)力設(shè)計(jì)法等。層合板全厚度除需滿足強(qiáng)度條件外，在很大程度上往往還由葉片的變形條件所控制，即還要滿足剛度條件。對(duì)于外載而變形要求不高的葉片，如，下風(fēng)后置葉片，也不宜把壁厚設(shè)計(jì)的過(guò)薄以致發(fā)生整體或局部失穩(wěn)問題。

    需要指出的是，近年來(lái)碳纖維在風(fēng)電機(jī)組葉片中的應(yīng)用導(dǎo)致了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層研究人員對(duì)非軸對(duì)稱層合板的興趣，其目的是用這類鋪層布置在葉片受瞬時(shí)風(fēng)載時(shí)，產(chǎn)生“材料誘導(dǎo)性”彎扭禍合變形效應(yīng)，以散射瞬變載荷對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的破壞能。

    本文結(jié)構(gòu)中的層合板選用玻璃纖維和環(huán)氧基體構(gòu)建，其材料性能參數(shù)見表1，纖維與環(huán)氧基體的體積比通常為0.44。