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1、1,风力机叶片的结构设计、制造与验证技术概述,第八部分,2,目 录,一、前言二、风力机叶片结构设计概述三、风力机叶片结构材料四、风力机叶片成型工艺概述五、风力机叶片结构的性能验证概述六、结束语,3,一、前 言,“一流企业出标准，二流企业搞设计，三流企业搞生产”这个观点已是众所周知，然而我们知道我们的风电标准是以借鉴国外标准为主，缺少研究支撑，未形成真正自主的标准；50多家叶片企业技术基本都是引进的，现在在探索性做些自主设计的，所采用的软件也主要是国外的；我国的风电叶片制造企业基本是“加工厂”级的。,4,所以，尽管我国的风电装机容量增速很快，风电设备产能很高，但我们万万不能盲目乐观，我们要做强、
2、做大、做长我们的风电产业，真正使绿色的风能很好地造福人民、改善我国的能源结构、解决环境污染问题等我们风电届的同仁们需倍加努力，认真研究自主设计技术开发的规律，处理好基础研究、应用研究、技术开发、生产应用等各环节的关系，力争在较短的时间内建立起我国风电产业发展所急需的自主的技术支撑体系。,一、前 言,5,这里着力谈一下风力机叶片的结构设计、制造与验证技术。风力发电设备的自主设计、制造包括叶片结构的自主设计和制造。那么叶片结构的自主设计、制造与验证需要哪些技术呢？支撑叶片结构设计的基础数据包括哪些？叶片结构性能的验证平台有何价值？叶片实际运行过程中载荷谱的采集有无必要？我们在叶片结构自主设计方面已
3、具备哪些能力？未来我们还需做哪些工作？以下分结构设计、结构材料、成型工艺、性能验证等四个方面逐一进行介绍。,一、前 言,6,2.1 叶片结构设计结果的表述方法2.2 确定叶片结构方案的根本原则2.3 叶片结构设计的条件 2.4 叶片结构设计的步骤,二、风力机叶片结构设计概述,7,2.1、叶片结构设计结果的表述方法,一般我们可以把叶片设计分为气动设计、结构设计、工艺设计和防雷电设计等。从叶片制造商的角度看，叶片气动设计的最终结果就是给出叶片的外形数据，具体通常是给出沿叶片展向若干剖面的翼形数据、扭转角、扭心坐标等。依此，叶片制造商即基本具备了开叶片上下蒙皮模具的条件。从叶片结构设计人员的角度看，
4、叶片气动设计除须给出足以准确描述叶片外形的足够的叶剖面的翼形数据、扭转角、扭心坐标之外，还应给出气动载荷数据。,8,2.1、叶片结构设计结果的表述方法,从风力机总体设计的角度看，叶片的气动设计须给出风力机的整体性能预测数据，包括风能利用系数，扭矩系数，风轮轴向推力系数，叶尖速比，风能利用系数与尖速比的关系曲线，不同风速风轮扭矩与风轮转速的关系曲线，输出功率与风速的关系曲线，年输出能量与年平均风速的关系曲线，变桨控制要求等等。可见叶片的气动设计结果对不同的人来讲其关心的内容是有差异的。,9,2.1、叶片结构设计结果的表述方法,那么叶片的结构设计结果如何表述呢？叶片结构设计的结果基本可通过叶片剖面
5、结构图、桨根连接方案图、各部分的布层铺设方案等表述清楚。在拿到以上结构设计数据、图纸后叶片制造商就可以制造叶片了。当然隐含在以上数据中的设计结果还包括：叶片动力学特性，包括自振频率、转动惯量、质量分布、总重、刚度特性等，这是总体设计人员关心的数据。,10,2.2 确定叶片结构方案的根本原则,八个字“安全可靠，经济合理”。,11,2.3 叶片结构设计的条件,气动外形数据，气动载荷数据，材料性能数据,12,2.4 叶片结构设计的步骤,叶片结构布置方案的选择与确定（无梁结构、C形梁-蒙皮结构、D形梁-蒙皮结构、O形梁-蒙皮结构、工字形梁-蒙皮结构）工艺与材料选择（必要时需进行材料性能实测）荷载计算（
6、惯性力和重力是应考虑的载荷；气动载荷、运动载荷复核，其它载荷如冰雪载荷的分析）基于静动强度、疲劳强度、刚度、稳定性、可靠性的要求进行结构参数的优化设计计算绘制结构剖面图、桨根连接方案图，列出各部分的布层铺设表,13,3.1 历史沿革与未来趋势3.2 复合材料的定义、特点、命名及分类3.3 复合材料原材料3.4 复合材料成型工艺概述3.5 复合材料的历史沿革3.6 复合材料的工程应用与发展趋势3.7 复合材料叶片的材料选择,三、风力机叶片结构材料,14,风力机的发展已有一个多世纪的历史1890年在丹麦建成了世界上第一个现代型的风力发电装置），在这一个多世纪里，材料工业也有了极大的发展，水平轴风力
7、机的叶片用材料根据风力机自身的发展要求实际上也在不断发展着。木、布、金属（钢、铝等）GFRP、GFRP/CFRP、木增强复合材料、智能复合材料,3.1 历史沿革与未来趋势,15,木制叶片及布蒙皮叶片近代的微、小型风力发电机有采用木制叶片的，但木制叶片不易做成扭曲型。大、中型风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必须承担的主要载荷。与硬铝等金属材料相比,桦木、山毛榉等木材不仅具有重量轻、强度高等特点,还可以有效地降低雷达波的反射,因此,小型无人机螺旋桨也多采用木质材料。对木质材料的基本要求是:木质均匀、强度好和变形小。松木、榉木、桦木和精制
8、层板常作为螺旋桨材料。,3.1 历史沿革与未来趋势,16,金属叶片 今天我们仍可看到金属制直升机螺旋桨、气垫船螺旋桨、风扇叶片、船用螺旋桨，因此不难理解也有用金属做的风力机叶片。实际上由于合金钢其价格低廉，易加工成细长的形状，因此常采用钢管或D型型钢做叶片纵梁，钢板做肋梁，合金钢也因此一度被认为是首选的风力机叶片材料。然而，它的密度太大，疲劳特性差，易腐蚀，加工成扭曲形状成本高，因而慢慢被别的材料所替代。铝合金的密度为钢铁的1/3，采用挤拉工艺易加工出等弦长的叶片，因其可连续生产、效率高，又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现，因此也有较好的工业价
9、值。但变弦长的叶片没办法挤拉出来，因此其是以牺牲空气动力效率为前提的。这也限定了其只能在小风力机上有一定应用。,3.1 历史沿革与未来趋势,17,GFRP叶片 GFRP即glass fiber reinforced plastic，我国俗称“玻璃钢”。大家知道这是当前大型风力机叶片的主体材料。GFRP/CFRP叶片 CFRP即carbon fiber reinforced plastic,GFRP/CFRP即碳纤维和玻璃纤维混杂复合材料 一般认为较大型（如42米以上）的叶片采用CFRP或CF与GF混杂的复合材料更合理。,3.1 历史沿革与未来趋势,18,未来的叶片会是采用纳米碳管（NCTs)改
10、性的复合材料叶片吗？控制叶片寿命的究竟是哪一个因素？是层间韧性？是?我们有理由相信未来的叶片结构材料还将不断发展。由于多数从事风力机设计的同志并没有学过复合材料方面的课程，因此下面将介绍一点复合材料的ABC，以更好地理解为什么选择复合材料。,3.1 历史沿革与未来趋势,19,3.2 复合材料的定义、特点、命名及分类,1、复合材料的定义：1994年出版的由师昌绪主编的材料大辞典对复合材料的定义如下：复合材料是由有机高分子、无机非金属材料或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并
11、彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料的简单混合有本质的区别。,20,2、复合材料的特点：与传统材料相比，复合材料有下述特点：性能可设计材料和结构同一具备复合效应材料性能对复合工艺依赖性强,3.2 复合材料的定义、特点、命名及分类,21,复合材料的性能可设计性是材料科学进展的一大成果，复合材料的力学、机械及热、声、光、电、磁、防腐、抗老化等物理、化学性能都可按制件的使用要求和环境条件要求，通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段，最大限度地达到预期目的，以满足工程设备的使用性能。传统的单一材料，如木材、金属、玻璃、陶瓷、塑料等只能被选用，不能被设计（指宏观材料设计，不含分子设计）
12、。,性能可设计,22,复合材料尤其是纤维增强复合材料，与其说是材料倒不如说是结构更为恰当。传统材料的构件成型是经过对材料的再加工，在加工过程中材料不发生组分和化学的变化，而复合材料结构与材料是同时形成的，它由组成复合材料的组分材料在复合成材料的同时也就形成了结构。由于复合材料的这一特点，使之结构的整体性好，可大幅度地减少零部件和连接件的数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高构件的可靠性。,材料和结构同一,23,具备复合效应,复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的，但它并不是几种材料简单的混合，而是按复合效应形成新的性能，这种复合效应是复合材料仅有的。复合效应包括混合效应和协同效应。混合效应也
13、称作平均效应，是组分材料性能取长补短共同作用的结果；协同效应形式多样，如增强相与基体之间的界面效应、混杂复合材料的混杂效应、层合材料的层合效应及材料强度的尺寸效应。,混杂复合材料的应力-应变曲线的直线部分所对应的最大应变，已超过混杂复合材料中具有低延伸率的纤维的破坏应变。所谓“混杂”有两层含义：一是指两种或多种纤维混合在一起；二是指层板的各层采用不同的纤维。,24,材料性能对复合工艺依赖性强,复合材料结构在成型的过程中有组分材料的物理和化学的变化，过程非常复杂，因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性较大，同时由于在成型过程中很难准确地控制工艺参数，所以一般来说复合材料构件的性能分
14、散性也是比较大的。,25,3、复合材料的优缺点,与传统材料相比，复合材料作为结构材料在性能上有下述优点：比强度、比模量大耐疲劳性能好阻尼减振性好破损安全性高 耐腐性能优越,26,比强度、比模量大,比强度=强度/密度 MPa/（g/cm3）比模量=模量/密度 GPa/（g/cm3）,27,28,比强度的物理意义,比强度的量纲是长度，其物理意义可解释为：材料在自重作用下能自然垂下的最大长度。热处理预应力钢筋的比强度是18km乌冬面的比强度是4.3m豆腐的比强度推测约为10cm碳纤维T700的比强度大于300km,29,疲劳性能好,复合材料的抗疲劳性能良好。一般金属的疲劳强度为抗拉强度的4050%，
15、而某些复合材料可高达7080%。复合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有突发性的变化。因此，复合材料在破坏前有预兆，可以检查和补救。纤维复合材料还具有较好的抗声振疲劳性能。用复合材料制成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用金属的长数倍。,30,阻尼减振性能好,复合材料的减振性能良好。纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大，因此具有较好的减振性能。用同形状和同大小的两种粱分别作振动试验，碳纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属粱要短得多。,31,破损安全性好,复合材料的安全性好。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载
16、荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。,32,良好的高温性能,目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C；金属基复合材料按不同的基体性能，使用温 度在350 1100 C范围内变动；陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C；碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。,33,缺点,材料各向异性严重材料性能分散性较大，质量控制和检测比较困难材料成本较高复合材料韧性较差，机械连接较困难,34,4、复合材料的命名和分类,命名方法：将增强相或分散相材料放在前，基体相或连续相材料放在后，之后再缀以“复合材料”。如：由碳纤维和环氧树脂制成的复合材料称为“碳纤
17、维环氧复合材料”，或写为“碳纤维环氧复合材料”，甚至简记为“碳环氧”，余者类推。,35,按使用性能分：结构复合材料、功能复合材料、结构/功能一体化复合材料按基体分：树脂基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料按增强相形态分：连续纤维增强复合材料，纤维织物、编织体增强复合材料，片状材料增强复合材料，短纤维或晶须增强复合材料，颗粒增强复合材料按增强纤维类型分：碳纤维复合材料，玻璃纤维复合材料，有机纤维复合材料，陶瓷纤维复合材料,复合材料通常有以下几种分类方法,36,3.3 复合材料原材料,、增强材料,37,38,碳纤维 由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1500C形成的纤维状碳材料，其碳含
18、量为90%以上。它是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的物质，呈现乱层结构。当加热至2500C时可制得碳含量高于99%的石墨纤维。,39,国外民机结构用碳纤维特点分析,40,41,中复神鹰碳纤维有限责任公司碳纤维产品性能,进口T700碳纤维最近约450元/KG,42,基体,聚合物基体金属基体陶瓷基体,不饱和聚酯树脂，环氧树脂，酚醛树脂，乙烯基树脂，热塑性树脂，高性能树脂等铝及铝合金，镁及镁合金钛合金，镍，钴，铜，铅，锌等氧化铝，氧化锆，氮化硅，氮化硼，氮化铝，碳化硅，硼化物等,2、基体材料,43,热固性树脂 在初受热时变软，可以塑性加工成一定的形状，随着加热的进行或固化剂的加入，会逐渐成凝胶或固化
19、成型。再加热不会软化，不熔、不融。其高分子聚合物属于三维体型网状结构。常用的热固性树脂有：环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基酯、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺（BMI）树脂等等,聚合物基体,44,热塑性树脂加热到一定温度可软化甚至流动，可塑性加工成各种形状。冷却后变硬，再加热可软化。其高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。常用的热塑性树脂：聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺（尼龙）、聚碳酸脂等。,45,3.4、复合材料成型工艺概述,1、聚合物复合材料工艺2、金属基复合材料工艺3、陶瓷基复合材料工艺,46,1、聚合物复合材料（PMC）制备工艺,目前聚合物基复合材料的成型方法不少于20多种，如：（1）手
20、糊成型工艺-湿法铺层成型法；（2）喷射成型工艺；（3）树脂传递模塑成型技术（RTM技术）；（4）袋压法（压力袋法）成型；（5）真空袋压成型；（6）热压罐成型技术；（7）液压釜法成型技术；（8）热膨胀模塑法成型技术；（9）夹层结构成型技术；（10）模压料生产工艺；,47,（11）ZMC模压料注射技术；（12）模压成型工艺；（13）层合板生产技术；（14）卷制管成型技术；（15）纤维缠绕制品成型技术；（16）连续制板生产工艺；（17）浇铸成型技术；（18）拉挤成型工艺；（19）连续缠绕制管工艺；（20）编织复合材料制造技术；（21）热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型工艺；（22）注射成型工艺；
21、（23）挤出成型工艺；（24）离心浇铸制管成型工艺；（25）其它成型技术。,48,聚合物复合材料的制备工艺（1）手糊成型 用于制备热固性树脂复合材料的一种最原始、最简单的成型工艺。用手工将增强材料的纱或毡铺放在模具中，通过浇、刷或喷的方法加上树脂；纱或毡也可在铺放前用树脂浸渍，用橡皮辊或涂刷的方法赶出其中的空气。如此反复，直到所需厚度。固化通常在常温、常压下进行，也可适当加热，或常温时加入催化剂或促进剂以加快固化。,49,（2）压力成型：a.袋压成型：真空袋成型；压力袋成型；,袋压成型是最早最广泛用于预浸料成型的工艺之一。将铺层铺放在模具中，依次铺上脱膜布、吸胶层、隔离膜袋膜等，在热压下固化。
22、经过所需的固化周期后，材料形成具有一定结构形状的构件。,50,b.热压罐成型工艺过程：铺层被装袋并抽真空以排除包埋的空气或其它挥发物，在真空条件下在热压罐中加热、加压固化。固化压力通常在0.35-0.7MPa。,1-橡皮囊；2-成型套；3-模具；4-毛坯；5-弓形夹；6-热压罐；7-底板；,51,（3）缠绕成型：缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工艺。,52,（4）拉挤成型：是高效率生产连续、恒定截面复合型材的一种自动化工艺技术。其特点是：连续纤维浸渍树脂后，通过具有一定截面形状的模具成型并固化。,53,（5）模压成型：对模
23、模压成型是最普通的模压成型技术。它一般分为三类：坯料模压、片状模塑料模压和块状塑料模压。,54,（6）挤出成型 是热塑性塑料主要加工方法之一。干燥的热塑性塑料（粉料或粒料）从料斗进入挤出机加热料筒，料筒中螺杆旋转，物料沿螺槽前移。前移过程中物料受机械剪切作用摩擦热和料筒的加热逐渐熔融成熔体，熔体受螺杆轴向推力的作用通过机头和口模，获得与口模形状相似的连续体。,55,挤出成型工艺示意图,56,（7）注射成型 注射成型是热塑性塑料制品的常用成型方法，多用于短纤维增强塑料制品生产。增强纤维主要 为短切纤维，纤维含量通常有20、30%两种。,57,（8）喷射成型 这是一种半机械化成型技术。它是将混有引
24、发剂的树脂和混有促进剂的树脂分别从喷枪两侧喷出或混合后喷出，同时将纤维用切断器切断并从喷枪中心喷出，与树脂一起均匀地沉积在模具上，待材料在模具上沉积一定厚度后，用手辊压实，除去气泡并使纤维浸透树脂，最后固化成制品。,58,喷射成型原理图,59,（9）树脂传递成型：先将增强材料置于模具中形成 一定形状，再将树脂注射进入模具、浸渍并固化 的一种复合材料生产工艺，是FRP（纤维增强塑 料）的主要成型工艺之一。特点是：污染小，为闭模操作系统，另外在制品 可设计性、可方向性增强、制品综合性能方面优 于SMC、BMC。,60,树脂传递成型示意图,SCRIMAP:Seeman Composite Infus
25、ion Molding Process RIFT:Resin Infusion under Flexible Tooling VARTM:Vacuum Aided Resin Transfer Molding,61,62,3.5 复合材料的历史沿革,近代复合材料技术是20世纪40年代兴起的一门新兴技术，时至今日业已发展成为一套较为完整的体系。但广义地讲复合材料其出现则很早，在距今7000年前的西安半坡村遗址中曾发现用草拌泥做成的墙壁和砖坯，用草拌泥做成的建筑材料性能既优于草，又优于泥，这是人类最早使用复合材料的先例。近代复合材料的发展首先发展的软基体，然后发展的是较硬的和硬的基体，即从树脂到金
26、属到陶瓷基体。现在复合材料有三大类：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。,63,第一章 绪论,树脂基复合材料（Resin Matrix Composite)的发展简史 1932:树脂基复合材料在美国出现 1940年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的雷达罩 1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，制成直升机螺旋桨 1961年片状模塑料（SMC）在法国问世 拉挤成型工艺的研究始于50年代，60年代中期实现了连续化生产，现在发展很快。,64,第一章 绪论,树脂基复合材料的发展简史70年代开发出了碳纤维、硼纤维、芳纶纤维（如Kevlar纤维）、碳化硅纤维、氧化铝纤维、高密度聚乙
27、烯纤维等高性能增强材料。采用高性能纤维为增强体，高性能树脂、金属或陶瓷为基体制成的复合材料称为先进复合材料（Advanced composite materials,简称ACM）80年代后至今是现代复合材料的成熟应用时期。,65,几件值得一提的成果,里尔-芳2100号商用8座飞机，重仅567kg,全部采用CFRP制成 哥伦比亚号航天飞机大量采用ACM 波音767大型客机上使用ACM作为主承力构件 空客A380采用了25%的复合材料 波音787采用50%的复合材料空客A350将采用52%的复合材料,66,里尔-芳2100号,人类第一架全复合材料飞机,67,复合材料在中国的发展,起始于1958年。
28、用手糊工艺研制了玻璃钢艇，以层压和卷制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹 1962年制造了玻璃钢直升机螺旋桨和风洞叶片 1970年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造了一座直径44m的雷达罩。复合材料的年产量：1981年为1.5万吨 1986年达到6.5万吨 1995年已达到16.5万吨 2008年玻璃纤维（GF）220万吨；不饱和聚酯树脂（UPR）125万吨；热固性玻璃钢（FRsP）179万吨；热塑性玻璃钢（FRTP）56万吨；覆铜板（ccL）55万吨。复合材料总产量稳居全球第二。,68,3.6 复合材料的工程应用与发展趋势,复合材料之树,69,纤维增强树脂基复合材料应用-土木工程,补强、修补已有的土木工程结
29、构 房屋抗震加固,建筑物加固、修复,复合材料桥梁、CFRP拉索斜拉桥,复合材料建筑结构,70,71,72,纤维增强树脂基复合材料应用-大口径管道,引鄂济乌工程昆明（掌鸠河）引水工程,73,.36 meter LM blade,.60 meter LM blade,纤维增强树脂基复合材料应用-风力发电叶片,74,75,纤维增强树脂基复合材料应用-轨道交通,磁悬浮、高速列车车头,76,77,纤维增强树脂基复合材料应用-运动器材,78,79,80,81,82,83,“一代材料，一代飞机”，在新一代大型飞机上复合材料的用量创下了历史新高，其已成为大型飞机先进性的重要指标。,空客A380用复合材料25%
30、，波音787用复合材料50%，空客A350将用复合材料52%，国际上预计2020年在民机上复合材料应用将达到7080%。,复合材料在航空工业中的应用现状和发展趋势,84,85,86,87,787使用材料情况,“787客机使用的复合材料机身是其与任何空客竞争机型之间最大的不同。”,88,？,89,1、用复合材料设计的飞机结构,可以有效地减轻结构重量达20%30%,在飞机其它技术指标相近的情况下,提高飞机运载能力,或在相同载重下,降低发动机油耗,延长飞机航程;2、复合材料优异的抗疲劳和耐腐蚀性能,提高了飞机结构的使用寿命,降低了飞机维护要求;3、同时也为客机增加舱内压力和空气湿度、改善舱内环境设计
31、提供了可能性,大大提高了飞行的舒适性;4、复合材料结构有利于整体设计与整体制造技术的应用,一方面可以减少结构零部件的数量,提高结构的效率与可靠性,另一方面可以采用低成本整体制造工艺,降低制造成本。,90,未来民机发展趋势,成本降低：3050%噪声减少：2550%效率提高：10%20%飞机结构重量减轻：20%,复材主结构技术是未来民机竞争力的关键之一,91,需要复合材料结构,复材主结构技术是未来民机竞争力的关键之一,92,F16 2%,复合材料用量同样是军机先进性的重要标志,F22 24%,F/A18 12%,F35 35%,军机,F/A-22：IM7/5250-4、IM7/977-3(高性能)
32、双马为17.2%，环氧6.6%F-35：IM7/977-3、IM7/5250-4(低成本)环氧30%，双马为4%F/A-18E/F：AS4/977-3、IM7/977-3(低成本)全用环氧,93,B-2 50%,先进复合材料是实现军机先进性的根本途径,94,直升机,直升机（50-80%）,Tiger 80%欧洲虎式武装直升机,可垂直起落倾转旋翼后能高速巡航复合材料3000kg,V-22 50%,95,Voyager（旅游者号）,全复合材料无人机,90以上为CFRP，飞机结构重453kg，可连续飞行9天，飞行距离达40252km,无人机,96,3.7 复合材料叶片的材料选择 在确定应用复合材料制
33、备叶片后，具体用什么原材料、用什么增强材料制品、用什么性能的基体、用什么夹芯材料、用何性能的胶粘剂、用什么样的表面材料，这是今天我们结构设计人员要重点考虑的内容。叶片的设计和材料选择不仅决定风力机性能和效率，同时决定了每千瓦时电量的成本。选择合适的材料对于叶片设计起着关键性作用。,97,3.7 复合材料叶片的材料选择 复合材料风力机叶片用主要材料体系包括各种增强材料、基体材料、夹层泡沫、胶粘剂和各种辅助材料等。现在增强材料大量使用E玻纤,其成本低(10元/公斤以下，高性能的E6玻璃纤维价格约16元/公斤)、适用性强。当要求更高的强度和刚度时,将会使用到高强玻纤,如S2玻纤,虽然价格较高(405
34、0元/公斤),但适当使用会有好处。某些新兴纤维也可用作候选对象,如超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维等。,98,3.7 复合材料叶片的材料选择 根据国外有关资料报道，当风力机超过3MW、叶片长度超过40米时，在叶片制造时采用碳纤维已成为必要的选择。事实上，当叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片反而比玻纤叶片便宜，因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。我国的情况如何需要研究，但国外的经验值得重视。,99,3.7 复合材料叶片的材料选择 增强纤维主要力学性能,100,3.7 复合材料叶片的材料选择 要注意的是增强材料本身也一直处于不断发展当中。Owens Corning提出的新一代的玻璃纤维增强
35、材料WindStrand，其与E玻璃纤维增强材料相比，刚度提高17%、强度提高30%、疲劳寿命提高10倍，这一特性使得可使风力机寿命和风能利用率大大提高。此外，WindStrand增强材料重量轻10%，这样叶片可以做的更长，最终可以降低单位电量的成本。值得关注！,101,3.7 复合材料叶片的材料选择 国外碳纤维用于叶片制造的厂家主要有：LM 61.5米长的5MW风机叶片在梁和端部选用了碳纤维；Nordex 56米长的5MW风机叶片的整个梁结构采用了碳纤维，他们认为叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片的制作成本并不比玻纤的高；Vestas 44米长、V-90 3.0 MW风机叶片的梁采用了碳纤维。2
36、004年12月Zoltek Companies Inc宣布与Vestas wind Systems AS公司订立长期战略合同，在前三年提供价值8千万到1亿美元的碳纤维用于制造风机叶片；Zoltek Companies Inc在股东大会上宣布对NEG Micon的碳纤维合同将从每年150吨增加一倍。同时每年分别向Vestas和Gamesa各提供1000吨，所用牌号为Panex33 48K；T700/12K的产品已降到30/公斤左右，大丝束的可降至20/公斤左右，国内及台塑的12K产品可降至150200元（人民币）/公斤左右,102,3.7 复合材料叶片的材料选择 国外碳纤维用于叶片制造的厂家主要
37、有：西班牙Gamesa在他们旋转直径为87米（G87）和90米（G90）2MW的风机的叶片中采用了碳纤维环氧树脂预浸料，G90叶片长44米，质量约7t。NEG Micon在40米的叶片中也采用了碳纤维 德国Enercon GmbH在他们的大型叶片的制造中也使用了碳纤维。由于碳纤维比玻纤昂贵，采用百分之百的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前国外碳纤维主要是和玻纤混和使用，碳纤维只是用到一些关键的部分。碳纤维在叶片中应用的主要部位有：横梁（Spar），尤其是横梁盖（Spar Caps）前后边缘，除了提高刚度和降低质量外，还起到避免雷击对叶片造成的损伤（专利 US6457943BI）叶片的表
38、面，采用具有高强度特性的碳纤维片材（日本专利JP2003214322）。,103,3.7 复合材料叶片的材料选择,几种材料性能的比较,104,基体材料目前大量使用不饱和聚酯树脂、环氧树脂，现也有不少 企业在探讨使用乙烯基树脂。注意：在明确了用增强纤维、基体材料的类型后，使用何种织物类型、选用具备什么性能的该型基体也还需要认真选择。譬如是选用机织物还是选用经编织物？是选用单向织物还是选用双向/三轴向/四轴向经编织物？,105,3.7 复合材料叶片的材料选择,106,3.7 复合材料叶片的材料选择,107,3.7 复合材料叶片的材料选择,108,3.7 复合材料叶片的材料选择,无碱粗纱1：1方格布
39、,考虑到风力机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲和离心力，气动弯曲荷载比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用纤维受力为主的受力理论，可把主要纤维安排在叶片的纵向，这样就可减轻叶片的重量。依此可帮助我们选择经编织物的种类。,109,3.7 复合材料叶片的材料选择,110,3.7 复合材料叶片的材料选择,111,3.7 复合材料叶片的材料选择,112,3.7 复合材料叶片的材料选择,113,3.7 复合材料叶片的材料选择,114,3.7 复合材料叶片的材料选择,115,3.7 复合材料叶片的材料选择,116,3.7 复合材料叶片的材料选择,117,3.7 复合材料叶片的材料选择,118,3
40、.7 复合材料叶片的材料选择,119,3.7 复合材料叶片的材料选择,120,121,巴斯夫公司推出了一种新的环氧系统Baxxodur双组份环氧/固化剂系统。由于使用了新的固化剂，该类系统能极大地加速大型叶片的生产。为了保证树脂能够完全快速地充满叶片的模具，该类环氧系统在初始阶段反应缓慢。然后通过加热加速固化反应，能更快地在脱模后生产下一个叶片。这样使整个生产时间减少30%，提高了生产率。相比传统的环氧系统其能在更宽的温度范围内进行操作，使生产过程更加灵活。现已通过GL认证，可用于风力发动机中。,Corporate Overview,对芯材的要求,Corporate Overview,对芯材的
41、要求,124,值得一提的是常州天晟已成功开发出具有完全自主知识产权的结构泡沫芯材，值得祝贺！,125,四、风力机叶片成型工艺概述,手糊工艺制造 又称湿法成型。该法以手工劳动为主,简便易行、成本低,但效率亦低、质量不稳定、工作环境差,多用于中小型叶片的成型。工艺过程：阳模一翻阴模一铺层一加热固化一脱模一打磨表面一喷漆等。成型过程中树脂和增强纤维完全暴露于操作者和环境中，生产效率低、树脂固化程度偏低、产品质量稳定性差,在制造过程中会有有害物质和溶剂释放出来，造成环境污染。,126,四、风力机叶片成型工艺概述,干法成型 即预浸料成型。纤维先制成预浸料,现场（手工或自动化）铺放,加温(或常温)加压固化
42、,生产效率高,现场工作环境好。Vestas、Gamesa多采用干法成型工艺制备叶片。应特别指出当叶片用到碳纤维时,多采用预浸料法成型。,127,传统大型复合材料制造工艺流程,128,先进大型复合材料制造工艺流程,树 脂,129,四、风力机叶片成型工艺概述,VARTM RTM即树脂转移模塑（Resin Transfer Molding）成型法。将纤维预成型体置于模腔中,然后注入树脂,加温加压成型。RTM是目前世界上公认的复合材料低成本制造方法,发展迅速,应用广泛。RTM有多种分支。生产大型叶片多用的是VARTM/SCRIMP 法。VARTM即真空辅助RTM，一边抽真空一边注入树脂,此时只用单面模
43、具,另一面用真空袋。该加工工艺的成品有较好的品质，如：孔隙率低、纤维含量高，机械性能好，并且可以将挥发性有毒气体的排放量控制在最小的程度。,130,四、风力机叶片成型工艺概述,VARTM 和传统的开模成型工艺相比，SCRIMP成型工艺具有许多的优点。SCRIMP工艺比手工铺放节约成本约50%，树脂浪费率低于5%，特别是加工过程的环保性，是SCRIMP工艺最突出的优点。在同样原材料的情况下，与手糊构件相比，复合材料的强度、刚度或硬度及其它的物理特性可提高30%-50%以上。产品质量不受操作人员影响，产品性能的均匀性和重复性比开模产品好得多，缺陷也少得多。SCRIMP由于是采用闭模成型工艺，挥发性
44、有机物和有毒空气污染物均受到很大程度的控制，VOC排放不超过5PPm的标准，而开模成型的苯乙烯的挥发量超过500PPm。,131,四、风力机叶片成型工艺概述,VARTM SCRIMP工艺特别适合制造较大的制品，并且可以进行芯材、加筋结构件的一次成型以及厚的、大型复杂几何形状的制造，提高了产品的整体性，而且材料和人工的节省实为可观。采用SCRIMP制作的构件，不论是同一构件还是构件与构件间，制品都有保持着良好的重复性。SCRIMP成型时树脂的消耗量可以进行严格控制，纤维体积比可高达60%，制品孔隙率小于1%。,132,133,高温、高压RTM注射设备技术,134,四、风力机叶片成型工艺概述,此外
45、据报道也有用缠绕和拉挤法生产叶片的。譬如扬州神州风力发电机有限公司在生产小叶片时就使用了拉挤工艺方法，但应用该方法是有局限性的。缠绕工艺也只能是在制造叶片的过程中用到该工艺，而决不会是以缠绕为主制造叶片，尤其是大型叶片。,135,RFI技术及应用,舱门,模拟,136,RFI成型技术特点,与RTM技术比较，RFI技术具有许多优点：(1)RFI技术不需要像RTM模具那么复杂，它可以使用热压罐成型所用的模具；RFI将RTM的树脂的横向流动变成了纵向（厚度方向）流动，缩短了树脂流动浸渍纤维的路径，使纤维更容易被树脂所浸润；(2)RFI工艺不要求树脂有足够低的黏度，RFI用树脂可以是高粘度的半固体、固体
46、或粉末树脂，只要RFI树脂在一定温度下能流动浸润纤维即可，因此普通的预浸料树脂既可满足RFI工艺的要求。与热压罐技术相比，RFI技术不需要制备预浸料，缩短了工艺流程，并提高了原材料的利用率，从而降低了复合材料的成本；但是相对于同一种树脂体系，RFI技术需要比热压罐成型更高的成型压力。,137,舱门,结构特点：大尺寸、复杂结构最大结构尺寸：4800（长）720（宽）50（高）材料体系：T300/QY9512预成型体制备工艺：干态纤维织物铺贴缝合成型工艺：树脂膜渗透即RFI工艺成型,纵横加筋结构复合材料大/小舱门,138,VARI工艺过程,139,VARI成型技术特点,VARI是一种适合大型结构整
47、体成型的低成本制造技术它是利用单面模具在真空作用下树脂浸润干态纤维后固化成型的工艺方法；其突出的特点主要表现在：消除所有与预浸料有关的成本、不用热压罐、适合整体成型；因此，零件的制造成本可显著降低，尺寸也不受热压罐的限制。,140,五、风力机叶片结构的性能验证概述,叶片的设计寿命是20年，其疲劳周期远远超过其它高载荷复合材料结构（如飞机、桥梁、直升机旋翼等），单纯用工程知识和方法对叶片设计进行可靠性验证显得不够充分，叶片全尺寸的疲劳试验验证是必要的。由于叶片结构本身的复杂性、材料的各向异性和非均匀性等等，叶片结构的静强度、振动特性等也有必要进行试验考核。完整的叶片结构的性能试验包括：叶片用原材
48、料性能检测、层合板性能检测、固有特性试验、静力试验、疲劳试验、解剖实验、雷击试验、叶片随件试件试验。,141,五、风力机叶片结构的性能验证概述,层合板性能检测包括：采用同样工艺制备的、用所有用到的增强材料织物分别加工成的同方向的层合板的静拉、压、弯、剪等强、刚度特性的测定，以及拉拉、压压、拉压疲劳特性（如R=0.1,10,-1），树脂含量、固化度、密度等等。,142,GL：,143,五、风力机叶片结构的性能验证概述,固有特性试验包括：挥舞弯曲振动 至少12阶固有频率 摆振弯曲振动 1阶固有频率 扭转振动的一阶固有频率（必要时）夹具刚度要求大于叶片刚度的10倍,144,五、风力机叶片结构的性能验
49、证概述,静力试验包括：刚度测量（包括挥舞、摆振刚度；必要时应测扭转刚度；最少应确定叶片在50%和100%载荷下的变形；称重，测重心）静强度试验,145,五、风力机叶片结构的性能验证概述,疲劳试验包括：单轴向谐振试验、双轴向力-位移法、双轴向谐振法,146,五、风力机叶片结构的性能验证概述,解剖试验包括：成效工艺质量（型腔节点位置、前后缘粘结质量、内填件的粘贴质量等）主承力部分材性试验质量分布特性,147,148,无损检测技术,大型超声C扫描无损检测技术,CUS-6000大型超声自动扫描成像设备,检测通道：多达20个通道检测范围：6000（宽）*30000（长）占地：10000（宽）*60000
50、（长）检测对像：复合材料大中型蒙皮、壁板及组合件,149,五、风力机叶片结构的性能验证概述,雷击试验包括：高雷击脉冲电流试验（检验雷电电流传导系统承载电流的能力）雷击飞弧试验（检验电极的引雷效果）,150,五、风力机叶片结构的性能验证概述,叶片随件试件试验 包括：采用典型剖面位置处的叶片实际铺层制备的层合板的性能实测。,151,五、风力机叶片结构的性能验证概述,国外叶片测试平台,152,五、风力机叶片结构的性能验证概述,NWTC（属NREL）室外测试平台,153,五、风力机叶片结构的性能验证概述,154,五、风力机叶片结构的性能验证概述,155,五、风力机叶片结构的性能验证概述,156,157
