大型風(fēng)輪葉片設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

 
    結(jié)構(gòu)鋪層校核對葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計來說也必不可少。前在校核方面，大多用通用商業(yè)有限元軟件，比如ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等。對葉片進(jìn)行校核時，考慮單層的極限強度、自振頻率和葉尖撓度^[6]，分析模型有殼模型和梁模型等，并且能夠做到這兩種模型的相互轉(zhuǎn)換^[7]，如圖2,3所示。與其他葉片結(jié)構(gòu)相比，目前大型葉片的中空夾芯結(jié)構(gòu)具有很高的抗屈曲失穩(wěn)能力，較高的自振頻率，這樣設(shè)計出來的葉片相對較輕。有限元法可用于設(shè)計,但更多用于模擬分析而不是設(shè)計，設(shè)計與模擬必須交叉進(jìn)行，在每一步設(shè)計完成后，必須更新分析模型，重新得到鋪層中的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，再返回設(shè)計，更改鋪層方案，再分析應(yīng)力和變形等，直到滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為止，如圖4所示。因為復(fù)合材料正交各向異性的特殊性，葉片各鋪層內(nèi)的應(yīng)力并不連續(xù)，而應(yīng)變則相對連續(xù)，所以葉片結(jié)構(gòu)校核的失效準(zhǔn)則有時候完全采用應(yīng)變失效準(zhǔn)則。

 
2.3材料選擇
    葉片發(fā)展初期，由于葉片較小，有木葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片等等，隨著葉片向大型化方向發(fā)展，復(fù)合材料逐漸取代其他材料幾乎成為大型葉片的唯一可選材料。復(fù)合材料具有其它單一材料無法比擬的優(yōu)勢之一就是其可設(shè)計性，通過調(diào)整單層的方向，可以獲得該方向上所需要的強度和剛度。更重要的是可利用材料的各向異性，使結(jié)構(gòu)不同變形形式之間發(fā)生耦合。比如由于彎扭耦合，使得結(jié)構(gòu)在只受到彎矩作用時發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在過去，葉片橫截面耦合效應(yīng)是一個讓設(shè)計人員頭疼的難題，設(shè)計工程想方設(shè)法消除耦合現(xiàn)象。但在航空領(lǐng)域人們開始利用復(fù)合材料的彎扭耦合，拉剪耦合效應(yīng)，提高機翼的性能^[8]。在葉片上，引人彎扭耦合設(shè)計概念，控制葉片的氣彈變形，這就是氣彈剪裁。通過氣彈剪裁，降低葉片的疲勞載荷，并優(yōu)化功率輸出^[9]。