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风力发电具有造价低、可靠性高、装机灵活和维护简便等优点,作为一种典型的清洁能源,近年来发展迅速。风力发电机组由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调速机构和发电机等部分组成。而叶片是风力发电机的最重要的关键零件,而且材料选择是风力发电机叶片设计与制造的重要因素,玻璃纤维已在风力发电机叶片制造中得到了应用;由于复合材料能够满足轻质、抗静态和动态载荷,因此,目前复合材料在叶片的选材中应用越来越广泛。
本文针对9米长的复合材料叶片进行了有限元计算,分析了材料特性、叠层、厚度等要素的影响。在现有的叶片截面上,使用不同厚度的NREL剖面,基于层叠理论和多层结构原理进行复合材料叶片研究,并完成了二个设计实例。通过具有相同外部几何要素、二种不同材料层压的对比分析可以发现,碳纤维玻璃复合材料可以减低11%的重量。
层叠结构具有较好的刚度,由于使用了垂直的叠层,使壳体提供给叶片以足够的扭转刚度,分析表明,碳纤维玻璃复合材料降低了15%,基于梁理论的应力分析结果与有限元分析结果吻合较好,说明在风力发电机叶片设计中可以采用该有限元模型。
模态分析表明,与玻璃纤维叶片相比,复合材料叶片具有较高的固有频率和振型,更适合于大风条件。本文还分析了复合材料叶片的制造工艺特性,对该类复合材料叶片的成型工艺给出了选择建议。