王涛
河海大学材料科学与工程学院，南京（210098）
E-mail:wangtao.ywx@hotmail
摘要：风力发电机的关键部件是风力机的叶片，叶片的使用性能决定了整个风力机的输出功效。现在的风力机叶片普遍采用玻璃钢材料，具有可设计性。本设计利用CA TIA软件建立了风力机叶片的模型，并对其进行铺层设计和有限元分析计算，得到的设计方案可用来指导叶片的实际生产。 关键词：风力机叶片；铺层；有限元；CA TIA
1 引言
中国的风力资源非常丰富，相对于国际风电产业来说，中国的风能开发还处于起步阶段。但是，《可再生能源法》的颁布[1]和《京都议定书》的生效[2]，中国的风电产业面临着前所未有的发展形势，中国政府把风能放在了可再生能源的首要位置。目前市场上的风力发电机主要有两种：一种是水平轴风力机；一种是垂直轴风力机。其中，水平轴风力机目前占据绝大多数市场份额。就气动性能而言，水平轴风力
机相比于垂直轴风力机有更大的风能利用率。可是，风洞试验和风场测试的数据不同，这是因为风场的风向是会经常发生变化的，水平轴风力机就需要不断的调整迎风面，这就引起了“对风损失”。而垂直轴风力机就不需要对风装置，它可以吸收各个方向吹来的风能量。因此，在考虑了对风损失后，垂直轴风力机性能并不一定比水平轴风力机低。并且，垂直轴风力机的某些重量大的部件，比如发电机可以放在叶轮的下面或地面上，不仅结构简单，而且便于维修。由于垂直轴风力机的叶片不受交变的重力应力作用，所以相对于水平轴风轮叶片的疲劳寿命长。虽然目前风力机正朝着单机容量不断增大的方向发展，因为单机容易越大，每千瓦成本就越低，但是这种大风机由于体积庞大，只能用于交通相对方便的风力发电场中。对于一些山区或相对偏远的地方来讲，大风力机是无法运送过去的，这就给小型风力机留出了市场，尤其是家庭用小型风力机。再比如一些岛屿国家像印度尼西亚，电网无法全部覆盖所有岛屿，而且由于岛屿相对较小，居住的人口少，而这些岛屿上又有着很好的风力资源，小型家庭式风力机就有了市场。水平轴的小型风力机技术比较成熟，但是这种小型风力机运行时的噪音很大，不适于安装在居民区。因此很多公司现在都着眼于开发垂直轴小型风力机，来满足这部分市场需求。本设计就是为这种小型家庭式垂直轴风力机提供合适的玻璃钢叶片。
2 玻璃钢风力机叶片模型的建立
2.1 建立叶片的外轮廓曲面
玻璃钢风力机叶片是一铺层结构，因此需要首先建立铺层所需的轮廓。本设计的叶片外廓尺寸严格按NACA0018翼型执行，弦长为300mm，叶片长度为2400mm。如图1所示。
图1 玻璃钢叶片截面图
变速箱线束
利用CA TIA V5的创成式曲面设计平台（GSD）[3]建立本设计玻璃钢复合材料叶片的外廓曲面，如图2和图3所示。
图2 叶片曲面组装图图3 叶片曲面爆炸图叶片两端的小盖板，主要是起密封作用，所用材料不是玻璃钢复合材料，故不作考虑。此叶片截面为对称形式，所以只需对叶片其中一个外廓曲面和两条加强肋进行铺层设计即可。
2.2 建立玻璃钢复合材料叶片的材料库
要对叶片进行铺层设计，必须首先提供每层材料的相关属性，这包括：铺层中纤维和基体树脂的种类，纤维的体积含量，纤维的铺层角度，铺层的相关力学性能参数等[4]。本设计采用的是无碱玻璃纤维和间苯型不饱和聚酯树脂来制作玻璃钢叶片，通过实验确定材料的相关力学性能，如表1所示。
表1 单层复合材料的力学性能
E11 （Gpa）
E22
（Gpa）
G12
（Gpa）
ν12
Xt
(Mpa)
Xc
(Mpa)
大尺寸触摸屏Yt
(Mpa)
Yc
(Mpa)
S
(Mpa)
性能46.36 7.96 3.5 0.28 600 100 22 100 30 在CA TIA V5中创建新材料“Blade”，并将表1中的数据导入“Blade”的材料属性中。
2.3 玻璃钢复合材料叶片各部分的铺层设计
手机防盗系统叶片外廓曲面是由气动分析得来的，要求加工出的叶片形状严格符合此气动分析得出的
曲面形状。这就对铺层提出了很高的要求，为了保证叶片表面的平整性，使其光滑，叶片表
面没有明显的起伏，本设计在叶片的表层采用了带毡纤维布（±45°纤维布和缝边毡）来铺层[5-10]。对于拉挤成型来说，带毡纤维布可以随纱一起进入模具，工艺上也很方便[11]。而且带
毡纤维布因其内部纤维的杂乱性，也提高了叶片制品的抗剪切性能。本设计给出的试铺方案是：(45°,-45°) /(0°)8/(45°,-45°)。如图4和图5所示。旗杆底座
图4 外廓曲面铺层图图5 外廓曲面铺层细观图叶片内部加强肋主要用来提高叶片的刚性，增加叶片的强度的。本设计给出的试铺方案为：(45°,-45°) /(0°)8/(45°,-45°)。如图6和图7所示。
图6 叶片加强肋铺层图图7 叶片加强肋铺层细观图
3 玻璃钢风力机叶片的有限元分析
3.1 对玻璃钢风力机叶片模型进行网格划分
本设计将用八节点四边形单元来对模型进行网格地划分[12]，对应于CATIA V5中的二次四边形单元（QD8）[13]。网格划分后的叶片模型如图8所示。
图8 网格划分后的叶片模型
由于两外廓曲面和内部两加强肋是组合而成，所以需要在接触区域划分连接网格[14]，
如图9所示。
图9 划分连接网格
3.2 对玻璃钢风力机叶片模型施加约束和载荷
首先对叶片模型两端施加固定约束，创建约束施加区域，然后在创建的区域中施加固定
超导无轴陀螺空天载具约束，如图10所示。
图10 施加固定约束
接下来对模型施加重力加速度和叶片运行时的旋转速度。重力加速度取9.81m/s2，叶片运行时的旋转速度为200rpm，旋转半径为1000mm，如图11和图12所示。废气抽排系统
图11 施加重力加速度载荷
