科研汇报资料

1.风力发电机材料风力发电机组要获得较大的风力发电功率,其关键在于要具有能轻快旋转的叶片。所以,风力发电机叶片(简称风机叶片)技术是风力发电机组的核心技术,其成本约占整个风力发电机组总成本的15~20%。风力发电机的叶片是接受风能的主要部件,所以要求叶片具有合理的翼型设计、优质的材料和先进的工艺以使叶片可靠地承担风力、叶片自重、离心力等给予叶片的各种弯矩、拉力,同时还要求叶片质量轻、结构强度高、抗疲劳强度高、运行安全可靠、易于安装、维修方便、制造容易、制造成本和使用成本低。另外叶片表面要光滑以减少叶片转动时与空气的摩擦阻力。纤维增强材料在比强度、比刚度方面具有金属材料无可比拟的优越性,加之它们具有耐疲劳、结构稳定、抗腐蚀、耐高温等优异性能,因此,目前纤维增强材料成为大型风力发电叶片的首选材料。风机叶片的外形和受力情况非常复杂,且对尺寸精度、表面光洁度及质量分布等都有较高要求。因此,与用金属材料制造叶片相比,用纤维增强材料制造风机叶片具有以下优点;(1)结构具有可设计性,比强度及比刚度高,重量轻纤维增强材料主要由纤维和树脂构成,具有轻质,高强各向异性的特点。对于叶片这种单向受力的构件来讲,可根据其受力特点来设计强度与刚度。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质量。而质量的减轻可降低叶片的离心力及重力引起的交变载荷。采用空腹夹层结构和设置加强肋可提高叶片的刚度。碳纤维、芳纶、高密度聚乙烯纤维的开发和应用,使叶片的取材范围更加广阔。(2)易于成型制造风机叶片具有复杂的气动外形。其弦长、厚度、扭角和翼型在叶片的不同半径处都不尽相同。对于大型的风机叶片如用金属制造将十分因难。而纤维增强材料制成的叶片成型工艺相对简单,只要有模具保证即可,而且制成的叶片具有表面光滑、叶型精确的优点。(3)抗震性好,疲劳度高,使用寿命长纤维增强材料的内阻尼较大,是以纤维增强材料制成的风机叶片具有较好的抗震性能。纤维增强材料对缺口敏感性低,其缺口的扩展受到完好纤维的制约,可提高叶片的安全性。一般叶片的使用寿命为20年。(4)耐腐蚀性好,有很好的耐气候性纤维增强材料具有耐酸、碱、水汽的特点,同时又抗紫外线照射和抗雷击,所以能在多种复杂环境状况下使用。(5)维修简便,维护成本低纤维增强材料制成的风机叶片除了每隔若干年要在叶片表面进行适当维修(例如均匀涂漆)以外,一般不需要大的维修。目前商品化的大型风机叶片大多采用玻璃纤维增强材料制造。其主要是玻璃纤维增强聚脂树脂或玻璃纤维增强环氧树脂。在玻璃纤维方面E玻纤因其成本低、适用性强的特点被大量使用。同时为提高叶片的强度和刚度,S玻纤、M玻纤等也可作为增强材料。但是,玻纤密度较大,随着风机叶片长度的增加,叶片的质量也越来越重,据计算,叶片重量与风轮半径R近似成3次方关系。例如200千瓦叶片单片重量约800公斤,600千瓦叶片单片重量约2吨,1兆瓦叶片单片重量4吨,1.5兆瓦叶片单片重量约6吨,2兆瓦叶片单片重量约8吨,而5兆瓦叶片单片重量达十几吨。完全依靠玻璃纤维增强材料作为叶片的材料已逐渐不能满足叶片发展的需要。因此,需要寻找更好材料以适应大型叶片发展的要求。随着风机叶片设计技术的提高,风力发电向大功率、长叶片的方向发展。叶片长度增加势必增加叶片的质量。对于大型叶片,刚度成为主要问题。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架,叶片必须具有足够的刚度。既要减轻叶片的质量,又要满足强度与刚度要求,有效的办法是采用碳纤维增强材料。碳纤维增强材料的拉伸性模量是玻纤增强材料的2~3倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。由于碳纤维的价格是玻璃纤维的10倍左右,目前叶片增强材料仍以玻璃纤维为主。在制造大型叶片时,采用玻璃纤维与碳纤维结合的方法可在保证刚度和强度的同时减轻叶片的质量。据分析,采用玻璃纤维/碳纤维混杂增强的方案,叶片可减重20~40%。2.风力发电机结构及设计风机叶片是一个纤维增强材料制成的薄壳结构。结构上分3个部分:第一部分为根部,材质一般为金属;第二部分为外壳,一般为复合材料,通常是使用纤维增强体与基体树脂复合而成。根据具体需要选用增强纤维材料,再用树脂进行复合,成型出半个外壳。一对半个外壳粘在一起形成一个承载外壳,图1所示为纤维增强转子叶片截面图;第三部分为主梁,即加强筋或加强框,一般为玻璃纤维或碳纤维增强复合材料。图1叶片剖面示意图在风机叶片的结构形式中,尤以叶片剖面及根端构造的设计最为重要。选择叶剖面及根端形式,要考虑风机叶片的结构性能、材料性能及成型工艺。风机叶片要承受较大的载荷,通常要考虑50~60m/s的极端风载。为提高叶片的强度和刚度,防止局部失稳,风机叶片大都采用主梁结构(如图2所示)和泡沫夹层结构蒙皮,梁可有工形梁、C形梁、D形梁、矩形梁、圆形梁等之分,且多为单梁式结构,而结构蒙皮除满足气动性能外,也承担部分弯曲载荷。图2叶片主梁结构形式示意图风机叶片未来发展趋势：(1)向大功率、长叶片方向发展；(2)风机叶片设计不断更新。1．5兆瓦风机参数：额定功率：1500kW叶片长度：33.78m叶片最大弦长：3200mm叶片扭角：11°叶片重量(计算值)：5800.5kg重心位置（距叶根法兰盘端面）：11.60m3.材料的最大应力应变的一些准则(1)最大应力/应变准则——1920纤维拉伸失效：(1-1)纤维压缩失效：(1-2)基体拉伸失效：(1-3)基体压缩失效：(1-4)面内剪切失效：(1-5)最大应力/应变准则是最简单的强度理论，只要复合材料其中一个方向上的应力/应变分量达到所对应的极限值，就认为复合材料该单层发生破坏。该准则只考虑应力/应变分量单独作用对破坏的影响，并没有考虑分量之间交互作用的影响，其中需要确定5个待定强度参量：纵向拉伸强度Xt；纵向压缩强度Xc；横向拉伸强度Yt；横向压缩强度Yc；面内剪切强度S12。(2)蔡-希尔(Tsai-Hill)——1965(1-6)该准则能考虑应力分量交互作用，但是在偏轴加载时存在拉力和剪力耦合，且要求拉压强度相等。其中需要确定的待定强度参量：纵向强度X；横向强度Y；面内剪切强度S12。3)霍夫曼(Hoffman)——1967(1-7)该准则克服了Tsai-Hill准则的不足，考虑拉压强度是不相同的，其中需要确定的5个待定强度参量：Xt、Xc、Yt、Yc、S12。(4)蔡-吴(Tsai-Wu)——1971(1-8)该准则能够全面的描述复合材料单层板的破坏，其中需要确定的5个待定强度参量：Xt、Xc、Yt、Yc、S12。(5)Hashin准则——1980纤维拉伸失效：(1-9)纤维压缩失效：(1-10)基体拉伸失效：(1-11)基体压缩失效：(1-12)该准则认为复合材料的强度为应力不变量的函数，其中需要确定的5个待定强度参量：Xt、Xc、Yt、Yc、S12。(6)Chang准则——1987纤维拉伸失效：(1-12)纤维压缩失效：(1-13)基体拉伸失效：(1-14)基体压缩失效：(1-15)该准则认为当基体失效准则满足破坏条件时，该单层的基体开裂；当纤维失效准则满足破坏条件时，该单层发生纤维断裂或是纤维基体剪切破坏。其中需要确定的5个待定强度参量：Xt、Xc、Yt、Yc、S12。(7)Puck准则——1998纵向拉伸失效：(1-16)纵向压缩失效：(1-17)横向拉伸失效：(1-18)横向压缩失效：(1-19)面内剪切失效：(1-20)该准则中的系数的确定依赖于大量的实验值，比较复杂。其中需要确定的5个待定强度参量：Xt、Xc、Yt、Yc、S12。(8)Edge准则——1998初始失效(横向/基体)：(1-21)(1-22)(1-23)极限破坏(纵向/纤维)：(1-24)(1-25)(1-26)(1-27)该准则认为如果某一单层发生了极限破坏，该层合板不再具有承载能力。其中需要确定的5个待定强度参量：Xt、Xc、Yt、Yc、S12。4.材料的分析的一些方法1）单胞解析模型在复合材料中选取合适的代表性体积元作为单胞模型，将单胞模型划分成纤维和基体组成的子胞，通过子胞位移、应变或应力连续的假设条件，再结合均匀化理论，建立复合材料宏观场量和细观场量之间的关系，并可以实现宏观和细观场量之间的相互转换。将复合材料细观和宏观性能参数分别作为单胞解析模型的输入和输出，选择了四种复合材料，预报了它们的五个独立弹性性能参数。将这种方法得到的预报结果与宏观实验数据进行对比和验证，并在此基础上应用该方法分析了复合材料细观参数对宏观性能的影响规律。2）强度性能预报主要包括单向和多向复合材料在双轴加载情况下的拉压强度预报、复合材料面内剪切渐进损伤分析与强度预报和复合材料层合板开孔拉伸渐进损伤分析与强度预报。针对复合材料纵横向双轴拉压载荷作用，给出组分材料的失效准则，判断其损伤情况，若发生损伤则衰减相应组分材料的刚度，通过单胞解析模型将细观组分的弹性和损伤性能传递到宏观复合材料结构中，循环计算，直到所有铺层不再承载为止，进而预报了单向和多向复合材料的纵横向双轴拉压强度，并制定定量分析标准，选取“破坏分析奥运会”中的理论与之对比，对预报结果进行综合测评复合材料拉压强度、面内剪切强度和含缺陷复合材料层合板强度。复合材料强度性能预报与材料测试工艺、材料力学、损伤力学、断裂力学、复合材料力学、计算力学和有限元分析等多个方向有关，其发展历程也是从简单到复杂，从粗略到详尽，因此想要考虑全部的细观特性去建立一个统一完善的细观力学模型来预报复合材料所有的宏观强度性能基本上是不可能的。目前大部分研究所建立的模型都是单一的，它在预报某一方面强度性能上占有优势。3）细观力学模型充分考虑复合材料中细观组分的性能和细观结构，能够更加准确的预报复合材料宏观强度性能。从细观层次上考虑的复合材料强度预报实际上是复合材料力学中的跨尺度分析，是复合材料力学系统里的一个重要分支，在这个大框架中占据重要地位。复合材料力学包含纳观、细观和宏观多个尺度，这几个尺度是逐层递进的关系，其中细观力学的分析起到承上启下的作用，处于核心位置，是复合材料宏观力学分析的基础。因此，建立复合材料细观组分性能及细观几何结构和宏观复合材料性之间的定量关系，揭示复合材料破坏的规律和本质是复合材料细观力学的关键任务。为了建立细观与宏观之间的定量关系，实现从细观组分性能和结构预报复合材料宏观性能，一个准确的细观力学模型起到了连接细观和宏观的桥梁作用。该模型将细观组分材料性能和细观结构特征作为输入，可以输出将要预报的宏观复合材料性能，并能分析细观组分之间的相互作用和局部性能。因此，建立合理可靠的细观力学模型就成为从细观到宏观尺度研究复合材料力学性能的关键，也是目前研究者所关注的热点问题之一。目前，纤维增强复合材料工艺开始进入细观层次的设计优化阶段，迫切的需要揭示细观材料参数与复合材料宏观强度两者之间的关系，为材料安全可靠的设计和使用提供理论支持。纤维增强复合材料的失效破坏是由局部损伤开始，并蔓延直至材料最终破坏失去承载能力，复合材料强度反映的就是材料一种局部特性的积累过程。复合材料的强度预报是一个复杂问题，这是由于复合材料自身的特殊性能造成的。其一，纤维增强复合材料是各向异性材料，其强度具有方向性，并且依赖于纤维的方向。若要使对纤维复合材料强度的研究具有意义，就必须定义载荷相对于纤维所施加的方向。其二，纤维增强复合材料是由纤维和基体复合而成的多相细观非均质材料。纤维与基体的强度、纤维体积含量和分布情况等都会影响宏观复合材料的强度。因此，对纤维复合材料强度的研究就分为宏观和细观两个层面。同时，它的破坏形式也是多样的，并且与细观组分的破坏形态相关，如纤维断裂及屈曲、基体开裂、界面脱粘。3）渐进失效分析(ProgressiveFailureModel,PFM)方法渐进失效分析(ProgressiveFailureModel,PFM)方法的一般包括三部分，具体为：应力的计算、失效分析的判断、材料性能的衰减退化。采用此方法模拟复合材料结构失效的过程其实是一个反复迭代计算的过程。在计算分析的初始阶段，首先根据模型的参数选定一个初始较小的载荷，其次在给定的初始载荷的作用下计算层合板的应力、应变分布，然后再根据层合板的应力、应变分布来判定属于哪种失效准则，并判断是否有部分区域发生失效。如果没有发生失效，那么增加一个给定的载荷增量，继续进行求解；如果发生失效，则根据材料性能退化模式进行失效区域的材料性能退化，然后在相同的载荷下重新达到新的平衡。以上的计算迭代过程不断的重复继续，最终结构完全失效。3）细观力学模型复合材料的疲劳问题一直是复合材料科学领域的一个热点问题。纤维增强复合材料，在交变应力的作用下，常常在高应力区中呈现较大规模的损伤，其损伤的形态可能是界面脱胶和基体开裂，也可能是层板边缘和内部分层开裂．或是少量纤维断裂等，或是上述损伤复合失效，其结果导致材料强度和刚度下降，阻力增大及其它物理性能的变化。实验表明，复合材料没有一个明显的疲劳极限值，因此复合材料疲劳的定义为：当应力循环寿命为5×106或107次时，试件不发生破坏的最大应力值即为复合材料的疲劳极限。目前，对复合材料疲劳寿命的研究主要是从宏观唯象的观点对损伤进行总体描述，回避描述损伤的物理本质和细观机理，大致可以分为两大类：S-N曲线理论和疲劳累积损伤理论。S-N曲线是材料发生疲劳时应力循环次数N同其相应的极限应力S间的实测关系曲线，因此这种方法也可以称为疲劳寿命与静强度相关性法。虽然纤维增强复合材料与金属材料有完全不同的疲劳损伤机理，但S-N曲线仍然是表征复合材料层压板疲劳性能的主要形式之一。根据S-N曲线疲劳理论发展的疲劳设计思想有：名义应力法、局部应力应变法、应力场强法。1）动量—叶素理论动量—叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，在这些微段上运用动量理论求出作用在每个叶素上的力和力矩，然后沿叶片展向积分，进而求得作用在整个风轮上的力和力矩，算得旋翼的拉力和功率。动量—叶素理论形式比较简单，计算量小，便于工程应用，估算机组初始设计时整机的气动性能，被广泛用于风力机的设计和性能计算，而且还用来确定风力机的动态载荷，不断地被进一步改进和完善。CFD数值计算不需要对数学模型作近似处理，直接对流体运动进行数值模拟，从物理意义上说，数值求解N-S方程的CFD方法应该是最全面准确计算风力机气动特性的方法。但是，由于其极大的计算工作量，数值计算的不稳定性等原因，目前CFD求解N-S方程的方法作为解决工程问题的工具还不太实际。风机叶片的疲劳寿命分析过程如下：(1)创建所要分析的结构模型(2)对结构所处外部环境进行分析，确定结构的受力情况(3)对结构进行应力分析，确定结构的危险部位(4)计算危险