Optimization design of spar cap layup for wind turbine blade

Based on the aerodynamic shape and structural form of the blade are fixed,a mathematical model of optimization design for wind turbine blade is established.The model is pursued with respect to minimum the blade mass to reduce the cost of wind turbine production.The material layup numbers of the spar cap are chosen as the design variables;while the demands of strength,stiffness and stability of the blade are employed as the constraint conditions.The optimization design for a 1.5 MW wind turbine blade is carried out by combing above objective and constraint conditions at the action of ultimate flapwise loads with the finite element software ANSYS.Compared with the original design,the optimization design result achieves a reduction of 7.2%of the blade mass,the stress and strain distribution of the blade is more reasonable,and there is no occurrence of resonance,therefore its effectiveness is verified.

大型风电叶片拉挤复合材料研究进展

随着风电叶片的大型化,对复合材料性能的要求越来越高。近年来,拉挤复合材料在风电叶片上成功应用,这是风电叶片制造工艺几十年发展历程的一个新的里程碑。拉挤复合材料具有更高的力学性能与生产效率及更低的制造成本,在制造风电叶片主承力梁帽时,拉挤工艺几乎完全取代了使用了20多年的真空灌注工艺。为了梳理风电领域拉挤复合材料的研究进展,本文从拉挤板用原材料、拉挤板力学性能、拉挤板缺陷检测技术以及拉挤板梁帽灌注工艺方面综述了风电领域拉挤复合材料的专利申请与研究进展,旨在为复合材料与叶片领域后续研究提供参考。

风电叶片拉挤梁帽真空灌注成型工艺数值优化

采用数值仿真方法建立拉挤梁帽真空灌注成型工艺的优化流程,分析了工艺参数对成型效率和质量的影响。首先,实验测定纤维增强织物的渗透率、实际纤维体积分数和树脂的流变性。其次,采用收敛性分析方法对梁帽的数值模型进行优化,兼顾了仿真精度和效率。最后,研究了拉挤板排列间距和模腔内的残余空气压强对成型过程的影响。结果表明:仿真结果与全尺寸实验的偏差小于7%,拉挤板排列间距为0.3 mm时充模效率最高,残余空气压强小于4000 Pa时产品孔隙率小于2%,证明了数值优化方法的可行性和准确性。

柔性风力机叶片主梁弯扭耦合设计

文中探讨了利用偏轴混杂纤维来实现1.5MW风力机叶片主梁弯扭耦合的设计方法,建立了弯扭耦合设计的控制系数,并就碳纤维偏轴角和碳纤维偏轴体积比对弯扭耦合系数的影响进行了分析.理论推导表明弯扭耦合效应只与铺层材料有关.仿真结果表明:采用偏轴混杂纤维梁帽或蒙皮均能达到较好的弯扭耦合性能,且梁帽的最佳设计角在20.0°左右,蒙皮的最佳设计角在13.0°左右;在纤维拉伸和压缩应变、层间切应力、层面Von Mises的约束下,碳纤维偏轴角为20.0°和碳纤维偏轴体积比为45%时的主梁静态性能最优.

高模量玻璃纤维在2MW风机叶片上的应用

本文通过对2MW风机叶片的载荷进行分析,从合理选材的角度,把改进增强材料的性能作为提高叶片抗弯刚度的主要途径,结合质量设计,给出了材料主要测试数据,通过使用FOCUS软件进行载荷分析、结构静强度分析,对高模量玻璃纤维做为梁帽增强材料的可行性进行了验证,试验结果表明:采用高模量玻璃纤维单向布与普通玻璃纤维相比,梁帽质量降低了21.2%,整个叶片质量降低了8.3%,效果显著。

碳纤维叶片大梁真空灌注工艺仿真和验证

碳纤维叶片是风电叶片的重要发展方向之一,本文通过PAM-RTM工艺仿真软件对碳纤维叶片大梁结构进行了工艺仿真分析。测得玻璃纤维双轴布的三维渗透率,开展了5 m碳纤维大梁结构真空灌注工艺仿真研究,并进行了工艺试验验证。结果表明,注胶总时间计算值与实测值偏差+18%,树脂流动前沿计算值与实测值偏差最大为+18%,灌注大梁成型后未发现缺陷。

碳纤维在风电叶片中的应用进展

“30·60”双碳背景下,作为可再生能源重要组成部分的风能将维持高速增长,市场对风电叶片的技术发展要求越来越高,叶片向大型化、轻量化方向发展,轻质高强的碳纤维是超大型叶片增强材料的必然选择。文章介绍了当前风电市场的发展形势,结合碳纤维应用的优势,阐述了碳纤维叶片市场的渗透情况;基于碳纤维主梁叶片成型技术进展以及碳纤维产业链情况,分析了制约碳纤维尤其是国产碳纤维在风电叶片中规模化应用的因素,对未来碳纤维叶片产业发展提出了建议。

风力机复合材料叶片内部结构典型铺层及分析

叶片为风力发电装置中最核心、最关键的部件之一,其材料的选择对于叶片设计至关重要.大型风力机叶片普遍采用复合材料.将叶片视为一个变截面悬臂梁,基于经典层合板理论和梁帽式铺层方法,利用美国可再生能源国家实验室(NREL)发布的叶片结构分析软件PreComp和BModes计算叶片截面刚度、固有频率以及极限载荷作用下的变形.将计算值和ANSYS软件的分析结果进行比较,结果表明梁帽式铺层方法合理可行,且不影响叶片性能,在实际工程应用中有较大的使用价值.

CF/GF混杂复合材料性能分析及其在风电叶片上的应用

本文通过设计11组碳/玻混杂纤维复合材料（HFRP）样条的拉伸对比实验,分析研究CF与GF的不同混杂比对复合材料拉伸性能的影响。结果表明,随着玻璃纤维中加入碳纤维相对体积分数的增大,其拉伸强度和模量也随之增大,断裂延伸率随之降低。通过理论计算,50m长风电叶片主梁帽采用碳/玻混杂复合材料比采用纯玻纤其重量可降低10%～60%,成本将提高150%～310%,而相对于整支叶片重量可降低4%～22%,相对于整机其整体成本相当甚至降低。

叶片主梁弯扭耦合设计研究

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。

高模玻纤单向织物在风电叶片主梁帽中的应用对比

对四种高模玻纤分别进行了浸胶纱的拉伸性能、层合板的单层厚度及0°拉伸性能的研究,并对四种高模玻纤对工字梁刚度的影响进行了模型分析。四种高模玻纤具有相近的原纱拉伸模量,层合板在等纤维体积含量下具有相近的0°拉伸模量,但是在真空导入成型工艺中,由于单层厚度的差异导致纤维体积分数不同,从而具有不同的0°拉伸模量。在应用于同样铺层的工字梁时,单层厚度为0.78mm的高模玻纤层合板对应的工字梁刚度比单层厚度为0.83mm的高模玻纤层合板增加约6%。

风电叶片用环氧树脂和聚氨酯性能比较

针对风力发电机叶片用基体树脂的要求,公司开发了灌注环氧树脂体系和灌注聚氨酯树脂体系。文章对2种树脂体系的理化特性,工艺性能,本体力学性能和复合材料力学性能进行了系统的比较。结果表明开发的灌注聚氨酯树脂具有黏度低,本体力学性能更好的优势。而灌注环氧树脂具有工艺性能更好,对环境容忍度好,韧性更好的优势。二者都能满足风电叶片的要求,制备风电叶片时,可根据风电叶片的工艺和力学性能要求进行选择。

大型风电叶片碳纤维灌注环氧树脂的研制

随着陆上低风速区风场和海上风场的开发成为我国风电发展的主要趋势,风电叶片的尺寸越来越大,碳纤维在风电叶片上的应用也越来越普遍。文章针对风电叶片碳纤维主梁的特点,研制了适用于风电叶片碳纤维主梁的灌注环氧树脂系统。对该环氧树脂系统进行了全面的性能表征和工艺验证,结果表明,研制的灌注环氧树脂系统满足碳纤维主梁的性能要求。研制的碳纤维灌注环氧树脂已成功地应用于90 m级的风电叶片中。

风力发电叶片主梁褶皱问题及预防措施

近年来,我国风电行业快速发展,为满足功率不断增大的风力发电机的需求,叶片的长度也越做越长。目前,长度在65 m以上的叶片已经成为市场主流需求。叶片长度的不断增加,对叶片的结构安全性要求也更加严格。主梁作为叶片的主要承力结构部件,其质量尤为关键。基于叶片主梁采用真空灌注的制造方法,针对叶片主梁在制造过程中出现褶皱问题的原因及解决方法进行了分析和研究。

风电叶片DF82A主梁帽灌注工艺研究

真空辅助灌注工艺作为一种新型的复合材料成型技术,由于其制作成本低、产品性能好、生产过程无有毒气体排放等优点,已经被广泛应用于国民生产的各个领域。在灌注大型风电叶片时,普遍采用真空辅助灌注工艺,而主梁帽往往以预制件的形式加入,这就需要对主梁帽的灌注工艺进行适当设计,论文主要针对DF82A主梁帽灌注工艺进行研究,着重在抽气效率、加热工艺设计等方面进行研究,提出了新的主梁帽灌注工艺方案,提高了DF82A主梁帽的质量和生产效率。

基于风力机叶片铺层的频率优化设计

从叶片的铺层角度出发,编程建立了一种风力机叶片的约束优化设计模型。采用风力机叶片主梁帽的铺层厚度及位置为优化设计变量,在保证气动外形不变,满足各种约束的情况下,以获得最大一阶挥舞频率为设计目标,使用改进粒子群算法进行搜索约束优化解。结果表明:合理地设计主梁帽的铺层厚度和位置能得到更好的结果,验证了模型的有效性。优化结果对工程设计具有一定的参考价值。

风电叶片新型拉挤夹芯梁帽弯曲性能试验

采用玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)拉挤条板制造风电叶片夹芯梁帽可以克服传统纤维布铺设工艺中存在的褶皱、气泡等制造缺陷,提升材料模量和强度,减少纤维缝编工序和节约材料成本,是未来风电叶片梁帽发展的趋势之一。以GFRP双轴布为面层、GFRP拉挤条板和方格布为夹芯层的叶片主梁梁帽局部梁段作为研究对象。为研究面层厚度及剪跨比对新型拉挤夹芯梁帽承载能力和破坏模式的影响,开展四点弯曲试验。结果表明:随着面层厚度的增加,拉挤夹芯梁帽的破坏模式从无面层试件的拉挤条板拉裂破坏,发展为单层面层试件的面层拉裂或拉断破坏及多面层试件的下面层剥离破坏。合理设计面层和夹芯的比例,能够控制夹芯结构的破坏模式;拉挤夹芯梁帽的初始刚度随着面层厚度增加及剪跨比减小而增加;面层厚度的增加可以大幅提升结构的承载能力,延缓胶缝的开裂,减小破坏时的承载力损失,并在一定程度上改善结构的脆性行为。