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[摘 要]风机叶片是风机的重要组成部分，是风能转换为电能的媒介。在风机系统正常运行期间，复杂的外部环境会对风力发电系统造成巨大威胁，其中风是主要的威胁因素之一。当风的级数很高或者风机叶片运行处于长期疲劳状态，会导致叶片折断并可能撞击塔身，进而可能会产生连锁破坏效应。本文从分析风机叶片结构开始，利用通用有限元软件从强度、模态、疲劳性能及稳定性能几个方面进行简要分析，最终得出叶片的优化设计方法。
[关键词]风机叶片 结构分析 优化设计
中图分类号：TP115.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0030-01
1.风机叶片的结构
叶片由上下两个半壳、组成，并以由两个单向梁帽和两个多向的由夹层结构构成的抗剪腹板组成的梁作为结构支撑。梁帽由单向环氧玻璃玻纤组成，抗剪腹板由二维环氧玻纤组成，叶片外壳由双轴和三轴的E-玻纤复合成型。根部由三轴E-玻纤增强。由轻木和部分的PVC泡沫作为芯材。为了获得边缘应有的刚性，后缘单向增强。上壳、下壳、梁帽和梁腹由各自的模具制造。上、下壳由前缘和后缘粘接成一体，同时和梁帽粘接。挡雨环和人孔盖由各自的模具制造，再粘结在叶片型腔内外。叶片根部的连接设计成T杆连接形式。
2.风机叶片建模分析
ANSYS是一款大型的计算机辅助工程软件，无论是在学术研宄还是在工程实际中都得到了广泛的应用。ANSYS的操作便捷，功能丰富，且能与其他多数设计软件进行接口，是目前应用
最为广泛的有限元分析软件之一，在船舶、汽车、土木、石油化工、电子信息、水利水电等实际工程领域被广为应用。，三维有限元模型的建立与模拟是分析叶片对外部条件响应的有效方法，有限元模拟将展现足够精确的叶片内部静力和动力响应分布，这就是叶片结构校核分析。叶片的有限元校核分析是对叶片结构设计合理与否的论证，也是优化叶片结构的重要依据。
（1）强度分析
在风力机叶片的设计过程中，除应满足叶片的气动性能要求外，还应该满足叶片结构性能要求，如静强度等静强度分析的主要是应力计算，包括各种载荷产生的应力。有限单元法适用于对几何形状、载荷和支承情况的应力分析，在单元特性推导中，常常要用到弹性力学中的变分原理—最小势能有条理和最小余能原理。最小势能原理用于位移法，以位移为基本参数最小余能原理用于应力法，以应力为基本未知数。
在有限单元法中应用最小余能原理，要求在单元内假定一种应力场，这种应力场的各应力分量必须满足应力的平衡方程式在边界上的单元，应力分量要满足应力边界条件在单元间的边界上应力分量不要求连续，但要求在边界上的力必须平衡，即边界两边上作用力应该大小相等，方向相反。
（2）模态分析
模态分析用于确定设计结构或机器零部件的振动特性—固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。有限元的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。
（3）疲劳性能分析
疲劳是影响复合材料风机叶片性能和寿命的最主要因素之一。当叶片在循环变化的荷载或随机载荷作用下工作时，疲劳是其主要失效形式。無论是新叶片的研制，还是叶片在运行过程中的强度校核，疲劳强度都是主要的研究内容。风机叶片在实际工作期间经受各种复杂荷载长期往复作用，易发生疲劳破坏。由风机叶片疲劳性能分析知其正常的使用寿命可达十几年，正常工作期间，关键截面应力幅值与荷载频率均很小。但是，采用小振幅，小频率加载使叶片疲劳破坏不现实，并且由于试验条件的限制，不便于进行分布式加载为了研究风机叶片的疲劳损伤监测方法，并不侧重于通过试验深入研究实际风机叶片的疲劳性能，想办法尽快让试件发生疲劳损伤破坏同样可以在试验中监测疲劳损伤发展的过程。
（4）叶片结构的稳定性分析
叶片设计时应避免叶片屈曲失稳。在弯曲载荷作用下，当某一剖面的应力达到某一水平，局部剖面发生扁平，刚度下降，从而导致屈曲破坏，屈曲分析就是要计算出叶片的临界压应力，要求叶片的最大压应力低于临界压应力。叶片在背风面承受较大压应力，有可能发生屈曲失稳破坏。通常叶片前缘曲率大，板宽度小，认为不会发生屈曲失稳。在叶片后缘，因为板宽，曲率小，在设计时，可以视为平板进行失稳设计。
（5）叶片的结构优化
叶片剖面基本上采用蒙皮加主梁的结构形式，主梁由梁帽和抗剪腹板组成，主梁梁帽多数由单向玻纤构成，承担叶片上主要的弯曲载荷，腹板由双轴玻纤布构成承担剪切载荷，提高叶片稳定性。
叶片的截面结构型形式的设计是叶片结构设计的重要环节，其它的设计好坏对叶片结构性能影响很大，设计时叶片剖面的结构应根据叶片尺寸大小、荷载情况、制造工艺有所变化。如主梁较宽，主梁的上下缘应采用夹层结构，以免产生屈曲失稳或是主梁的宽度设计较窄，可不采用夹芯结构，但要进行屈曲稳定验算。前缘空腹由于曲率较大，抗屈曲失稳能力较强，通常不需要采用夹层结构，但前缘空腹宽度较大时应考虑采用夹层结构。蒙皮的增强层也可采用纤维毡与织物交替铺设。
3.小结
本文从分析风机叶片结构开始，利用通用有限元软件从强度、模态、疲劳性能及稳定性能几个方面进行简要分析，最终得出叶片的优化设计方法。
参考文献
[1] 李军向.大型风机叶片气动性能计算与结构设计研究[D].
[2] 李本立.风力机结构动力学[M].北京： 北京航空航天大学出版社，1999.
[3] 王艳青.复合材料风机叶片疲劳损伤监测研究[D].
[4] 王满昌，史俊虎，裴鹏宇，陆书建.叶片结构形式和优化方法概[J].
[5] 陆永耕，张彬.风机叶片损伤特征分析[D].
项目：2014年国创项目（201410825017）。
作者简介
刘海燕，（1985 - ），女，山东泰安人，助教，毕业于山东科技大学机械工程专业，现从事高校任教工作。
[关键词]风机叶片 结构分析 优化设计
中图分类号：TP115.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0030-01
1.风机叶片的结构
叶片由上下两个半壳、组成，并以由两个单向梁帽和两个多向的由夹层结构构成的抗剪腹板组成的梁作为结构支撑。梁帽由单向环氧玻璃玻纤组成，抗剪腹板由二维环氧玻纤组成，叶片外壳由双轴和三轴的E-玻纤复合成型。根部由三轴E-玻纤增强。由轻木和部分的PVC泡沫作为芯材。为了获得边缘应有的刚性，后缘单向增强。上壳、下壳、梁帽和梁腹由各自的模具制造。上、下壳由前缘和后缘粘接成一体，同时和梁帽粘接。挡雨环和人孔盖由各自的模具制造，再粘结在叶片型腔内外。叶片根部的连接设计成T杆连接形式。
2.风机叶片建模分析
ANSYS是一款大型的计算机辅助工程软件，无论是在学术研宄还是在工程实际中都得到了广泛的应用。ANSYS的操作便捷，功能丰富，且能与其他多数设计软件进行接口，是目前应用
最为广泛的有限元分析软件之一，在船舶、汽车、土木、石油化工、电子信息、水利水电等实际工程领域被广为应用。，三维有限元模型的建立与模拟是分析叶片对外部条件响应的有效方法，有限元模拟将展现足够精确的叶片内部静力和动力响应分布，这就是叶片结构校核分析。叶片的有限元校核分析是对叶片结构设计合理与否的论证，也是优化叶片结构的重要依据。
（1）强度分析
在风力机叶片的设计过程中，除应满足叶片的气动性能要求外，还应该满足叶片结构性能要求，如静强度等静强度分析的主要是应力计算，包括各种载荷产生的应力。有限单元法适用于对几何形状、载荷和支承情况的应力分析，在单元特性推导中，常常要用到弹性力学中的变分原理—最小势能有条理和最小余能原理。最小势能原理用于位移法，以位移为基本参数最小余能原理用于应力法，以应力为基本未知数。
在有限单元法中应用最小余能原理，要求在单元内假定一种应力场，这种应力场的各应力分量必须满足应力的平衡方程式在边界上的单元，应力分量要满足应力边界条件在单元间的边界上应力分量不要求连续，但要求在边界上的力必须平衡，即边界两边上作用力应该大小相等，方向相反。
（2）模态分析
模态分析用于确定设计结构或机器零部件的振动特性—固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。有限元的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。
（3）疲劳性能分析
疲劳是影响复合材料风机叶片性能和寿命的最主要因素之一。当叶片在循环变化的荷载或随机载荷作用下工作时，疲劳是其主要失效形式。無论是新叶片的研制，还是叶片在运行过程中的强度校核，疲劳强度都是主要的研究内容。风机叶片在实际工作期间经受各种复杂荷载长期往复作用，易发生疲劳破坏。由风机叶片疲劳性能分析知其正常的使用寿命可达十几年，正常工作期间，关键截面应力幅值与荷载频率均很小。但是，采用小振幅，小频率加载使叶片疲劳破坏不现实，并且由于试验条件的限制，不便于进行分布式加载为了研究风机叶片的疲劳损伤监测方法，并不侧重于通过试验深入研究实际风机叶片的疲劳性能，想办法尽快让试件发生疲劳损伤破坏同样可以在试验中监测疲劳损伤发展的过程。
（4）叶片结构的稳定性分析
叶片设计时应避免叶片屈曲失稳。在弯曲载荷作用下，当某一剖面的应力达到某一水平，局部剖面发生扁平，刚度下降，从而导致屈曲破坏，屈曲分析就是要计算出叶片的临界压应力，要求叶片的最大压应力低于临界压应力。叶片在背风面承受较大压应力，有可能发生屈曲失稳破坏。通常叶片前缘曲率大，板宽度小，认为不会发生屈曲失稳。在叶片后缘，因为板宽，曲率小，在设计时，可以视为平板进行失稳设计。
（5）叶片的结构优化
叶片剖面基本上采用蒙皮加主梁的结构形式，主梁由梁帽和抗剪腹板组成，主梁梁帽多数由单向玻纤构成，承担叶片上主要的弯曲载荷，腹板由双轴玻纤布构成承担剪切载荷，提高叶片稳定性。
叶片的截面结构型形式的设计是叶片结构设计的重要环节，其它的设计好坏对叶片结构性能影响很大，设计时叶片剖面的结构应根据叶片尺寸大小、荷载情况、制造工艺有所变化。如主梁较宽，主梁的上下缘应采用夹层结构，以免产生屈曲失稳或是主梁的宽度设计较窄，可不采用夹芯结构，但要进行屈曲稳定验算。前缘空腹由于曲率较大，抗屈曲失稳能力较强，通常不需要采用夹层结构，但前缘空腹宽度较大时应考虑采用夹层结构。蒙皮的增强层也可采用纤维毡与织物交替铺设。
3.小结
本文从分析风机叶片结构开始，利用通用有限元软件从强度、模态、疲劳性能及稳定性能几个方面进行简要分析，最终得出叶片的优化设计方法。
参考文献
[1] 李军向.大型风机叶片气动性能计算与结构设计研究[D].
[2] 李本立.风力机结构动力学[M].北京： 北京航空航天大学出版社，1999.
[3] 王艳青.复合材料风机叶片疲劳损伤监测研究[D].
[4] 王满昌，史俊虎，裴鹏宇，陆书建.叶片结构形式和优化方法概[J].
[5] 陆永耕，张彬.风机叶片损伤特征分析[D].
项目：2014年国创项目（201410825017）。
作者简介
刘海燕，（1985 - ），女，山东泰安人，助教，毕业于山东科技大学机械工程专业，现从事高校任教工作。