叶片主梁弯扭耦合设计研究.pdf

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1、48叶片主梁弯扭耦合设计研究2008年11月叶片主梁弯扭耦合设计研究赵俊山，李军向(中材科技风电叶片股份有限公司，北京102101)摘要：风机叶片正向超大型化、轻质化和高性能化方向发展。高效率的风电机组必然要求高性能的风轮叶片，气弹剪裁则是获得高性能叶片的一种有效方法，而弯扭耦合是实现气弹剪裁的一种途径。本文通过研究弯扭耦合的控制参数，建立了弯扭耦合的理论估算公式，并对现有750kW叶片主梁重新进行弯扭耦合设计。研究结果表明，碳纤维取代玻纤单向布对主梁的重新设计，将大大提高叶片的整体性能。关键词：气弹剪裁

2、；弯扭耦合；主梁中国分类号：TK83文献标识码：A文章编号：1003-．0999(2008)叶片是风机的主要部件之一，高效率的风电机2，，、口■L组必然要求高效率的风轮叶片。要获得高效率的叶其中，EI为弯曲刚度；GJ为扭转刚度。片，除了设计出优良的叶片外形之外，叶片性能的提高还可以通过气弹剪裁来实现⋯。弹性剪裁可以虽然在航空领域弯扭耦合得到了大量应用，但在风机领域的运用还不是非常成熟。参数Or．与铺通过两种途径来实现，①将铺层输入，比如铺层材层参数的关系至今还没有很好地建立。从数学上分料，铺层方向作为设计

3、参数；②将叶片截面刚度析，的取值范围在一1到1之间⋯，但其确切取值弯扭耦合作为设计参数。途径一显然过于复杂，因范围还不清楚。为叶片铺层最多达到上百层。途径二则在风机叶片1．2弯扭耦合参数研究设计中得到了广泛应用’。弯扭耦合是工程中常1．2．1弯扭耦合控制见的一种变形现象，即结构在产生弯曲的同时还伴要利用弯扭耦合服务于设计，必须明确方程随着扭转的发生。过去叶片弯扭耦合效应是工程设(1)中的控制参数是如何影响弯扭耦合程度的。计人员很头疼的难题J，都设法消除耦合现象。但对于叶片来说，叶片被视为根部固支的悬臂梁，

4、主梁在航空领域人们开始利用复合材料的弯扭耦合、拉为对称结构，其弯扭耦合控制方程如下¨：剪耦合效应，以提高机翼的性能。而在叶片结构上，(oa)也引入弯扭耦合设计概念，控制叶片的气弹变形，这就是前面所说的气弹剪裁。通过弯扭耦合设计，降[刮㈣Mb~低了叶片疲劳载荷，并能优化功率输出J。．aZJ本文首先建立弯扭耦合设计的控制参数，并从其中，0为截面弯曲转角；为截面扭转角；M理论上针对不同材料研究控制参数可能的变化范为截面弯矩；为截面扭矩。围，同时以一个叶片主梁进行弯扭耦合的试设计。叶片是变截面构件，主梁也是变截面

5、梁，这给研1弯扭耦合控制参数究工作带来很大困难，为此，本文将主梁简化为等截面梁。由式(2)得：1．1参数建立E1．GJO0K．GJ0_~：M弹性剪裁可以通过控制铺层参数来实现，比如一6．GJ(3)．=．铺层材料、铺层角、铺层顺序。这种方式容易理解，+K．GJ~0_一：M。．K(4)但上百层的铺层使其实际运用起来非常困难，为此，．．工程设计人员利用叶片截面刚度在弯曲、扭转上的由式(3)与式(4)解得：耦合来实现弹性剪裁，并建立了梁截面上耦合控制a(pMbK+MtEl参数：az—Gj．EI一收稿FI期：200

6、8-05-03作者简介：赵俊山(1963一)，男，教授级高工。FRP／CM2008．No．62008年第6期玻璃钢／复合材料49鲤一—MbGJ+M,Krr=Q11+Ql2sy4-Ql6y—{O'y=Q21+Q22占+Q26(11)k7"="Q61占-4-Q62占y-I-Q66假定or：0，则有：sy一一————————一(12)，将式(12)代入式(11)中得：(2—)(6)=(Q一Q12Q2,)+(Q一QQlzQ26，I=而(2)(L7)=(Q。一Q62Q21)8+(Q一Q62Q26)‰=(8)=(9)

7、3，=Q。一百Q12Q26Ql1一数口的大小取决于_二。为了进Q一6-Q6一一(14)一步分析，将其分为两项口和l一则式(14)变为：[QI1Q66~／xy)由层合板经典理论，内力N、Ⅳ6，M和与面趋近于无穷大。因此，要控制在弯矩作用内应变1、s6，K1和，c6的关系如下：0NxAl1A16Bl1Bl6S0Nx461666l66v(16)MB11B6lDl1Dl6，cMxyB16B66D6lD66，c其中，A，D分别为面内刚度系数和弯曲刚度系数；为耦合刚度系数，且有：=如1=f丁d66-I~"YD：』t-

8、(，2dxy其中，：，y分别为中面正应变和剪应变；，分别为中面曲率和扭率；，分别为单位宽度上面内力和剪力；Mx，分别为单位宽度上的弯矩和扭矩；T为单层与中面垂直距离。FRP／CM2008。pi0。650叶片主梁弯扭耦合设计研究2008年11月对于对称层合板，式(16)变为：布，一种是碳纤布，材料性能参数见表l。4l】4l600表1铺层材料性能参数x＼PropertiesN6l6600vEl／GPaE2GI2／GPaVI2U21