摘要：小型风力发电机在运行过程中，当所受气动载荷超出叶片材料的极限载荷时，就会发生叶片失效现象。等截面小型风机叶片，除翼型可优化设计外，复合材料的可设计性也是优化设计的重要方面。本文对离网型等截面风机叶片的力学性能进行了研究，并根据叶片受力情况提出了增强叶片强度的优化设计方案。

　　关键词：风机叶片；力学性能；优化；复合材料；单向纤维

　　中图分类号：TB332文献标志码：A

　　小型风机叶片的材料是单向纤维复合材料，等截面小型风机叶片，除翼型可以优化设计外，复合材料的可设计性也是优化设计的重要方面。

　　玻璃纤维环氧树脂复合材料的优化设计除了结构形状的优化设计外，还必须注意纤维的分布、种类和环氧树脂种类的优化设计。因此，复合材料的优化设计既有结构优化设计，又有材料优化设计，即复合材料优化设计具有更多的设计自由度，更多的设计变量。

　　小型风力发电机在运行过程中由于受到气动载荷、重力载荷、惯性载荷等的影响，当所受气动载荷超出叶片材料的极限载荷时，就会发生叶片失效现象。本文结合复合材料可设计的特点，对叶片进行宏观力学性能分析，为单向复合材料的制作提供设计依据。

　　1离网型等截面风机叶片的力学性能优化

　　1.1小型风机叶片的静力学分析

　　叶片在制造、试验和使用过程中可能产生4类损伤，即基体开裂、界面脱粘、脱层（即层间开裂）和纤维断裂。

　　可以假想叶片为一悬臂梁，它承受着空气动力、重力、惯性力等，叶片失效大多发生在叶片根部。重力使叶片承受拉压弯曲和扭转；离心力在叶片中产生拉伸应力和扭转应力；空气动力在叶片中产生弯曲应力和扭转应力。

　　叶片的静力试验是以设计载荷值为基础的，其材料特性如表1所示。在进行这一试验时，应特别验证分析时确定的最大载荷区域，且不允许有局部失稳和变形。进行叶片试验时，最少应确定叶片在50%和100%载荷下的变形，并同计算值进行比较。同时也应测定叶片挥舞方向的一阶固有频率、质量和重心。

　　图1为风力机叶片在约束及载荷下的变形。对等截面风机叶片进行根部约束，然后施加力载荷，计算结果如图2所示。

　　由图1可见，在根部约束的条件下，叶片朝气流方向发生弯曲。图2为风力机叶片总体的位移分布云图，由图可见，在Z方向上，发生位移最大的部位为叶尖红色区域，其最大位移量为56.704mm。相对于整个叶片尺寸，该变形量并不大。因此，在风力载荷下，叶片在极限载荷时未必断裂。

　　图3为叶片的VonMises应力分布云图，由图可见，叶片靠近根部处受拉应力，最大拉应力出现在靠近叶根处，其值为2.91MPa，其最大值小于工作温度下材料的许用应力，即在安全范围之内，可符合强度要求。

　　1.2小型风机叶片的模态分析本文分析了五阶模态，其特性如表2所示。

　　如图4—图8所示，叶片一阶至五阶振型表现为弯曲振型，故弯曲振动是叶片的主要振动。弯曲振动通常是挥舞振动和摆振的复合弯曲振型，但其中挥舞振型占主要成分，摆振振型较小，作用效果较小，故叶片的主要振动表现为挥舞振动。振动过程中的能量主要集中在第一、二阶，表现为挥舞弯曲振动，而扭转振动较小。叶片旋转过程中的固有频率是整个系统耦合后的固有频率，与静止情况下单个叶片的固有频率有所不同，但一般不大。

　　2优化分析结果指导拉挤生产工艺

　　2.1纤维种类的改变

　　通过力学性能分析和优化结果可知，失效位置多为叶片根部同螺栓连接处，通过纤维复合材料的可设计性及拉挤工艺的特点，可在叶片的内部混杂排列一些碳纤维，如图9所示，以提高其性能。

　　如图10所示，通过根据naca6312截面翼型设计加工的导纱定位打孔钢板，将具有不同性能的纤维增强体准确混杂排列。

　　通过部分纤维种类的改变，可使碳纤维起到加强筋的作用，使叶片强度增强，解决单一纤维增强复合材料的弊端。2.2纤维分布的改变

　　通过应力云图可知，叶片纵向中心处的承载载荷比较大。如图11所示，可以在中心处将纤维的分布密度变大，增强中心易断裂处的强度，从而起到提高整体强度的作用。

　　3结论

　　本文针对小型风机叶片的有限元模拟分析，通过静力学模拟和模态分析，得出风机叶片的主要失效位置在叶片根部；小型风机叶片的一阶、三阶振型符合规范。通过有限元对单向复合材料的弹性常数的模拟分析，虽然高纤维含量（<75%）可以增强材料的强度，但是从经济性及整机的寿命考虑，要充分利用复合材料可设计性的特点，满足极限载荷条件。