為什么風力發(fā)電機葉片需要使用復合材料？

在西班牙作家塞萬提斯（Miguel de Cervantes）創(chuàng)作的著名小說《堂吉訶德》（Don Quixote）中，同名主人公幻想自己是一位中世紀騎士，在啼笑皆非的冒險中將風車錯認成巨人，結(jié)果讓長矛卡在一片葉片中。幸好現(xiàn)代的風力發(fā)電機葉片不必遭受這種尖銳的蠻力，但葉片設計仍然需要進行應力與模態(tài)分析，以應對現(xiàn)實中的結(jié)構(gòu)和環(huán)境負荷。

為什么風力發(fā)電機葉片需要使用復合材料？

風推動風力發(fā)動機螺旋槳狀的葉片繞（連接到主軸的）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繼而帶動發(fā)電機產(chǎn)生電力。為了將風的動能轉(zhuǎn)化為電能，風力發(fā)電機葉片必須承受風力、重力和離心載荷。葉片數(shù)量可以增減（不過三片最為常見），這取決于風力發(fā)電機采用傳統(tǒng)的水平軸還是新式垂直軸設計。

發(fā)電機葉片必須足夠?qū)掗?，才能發(fā)揮作用。大葉片要求工程師精心挑選合適的材料，既要輕盈，又要堅固。這些因素正是葉片承受結(jié)構(gòu)荷載效應、抵抗大風、懸浮顆粒侵蝕和結(jié)冰等惡劣天氣，以及長期維持穩(wěn)定運行的關鍵。

繪制小說中唐吉訶德攻擊的風車葉片充滿浪漫詩意（左），但設計能夠承受風暴的發(fā)電機葉片更加實用（右）。左圖：Gustave Doré 繪制的堂吉訶德插圖的版權(quán)處于美國公有領域。通過 Wikimedia Commons 分享。右圖：風暴摧毀了發(fā)電機葉片。圖片來源于 Jeff Miller 和 Western Area Power。在 CC BY 2.0 許可下使用，通過 Flickr Creative Commons 分享。

多年來，人們費盡心思尋找合適的葉片材料。20 世紀 40 年代，美國工程Palmer Cosslett Putnam 與 S. Morgan Smith 公司合作，使用鋼制葉片制造出風力發(fā)電機。然而，由于使用的是金屬材料，發(fā)電機難以穩(wěn)定地運行，一個葉片僅僅經(jīng)過幾百小時就報廢了。20 世紀 50 年代，丹麥工程師 Johannes Juul 通過改進設計，建造出 Gedser 風力發(fā)電機。這臺發(fā)電機機能夠連續(xù)運行 11 年而無需維護，這得益于三塊由木材、鋼和鋁制成的復合材料葉片。從 20 世紀 70 年代起，復合葉片成為風力發(fā)電機制造的標準。工程師還發(fā)現(xiàn)，葉片的各個區(qū)域?qū)煌难h(huán)載荷歷史，所以在葉片的不同區(qū)域使用不同的復合材料，可以提高設計的功效。

此示例采用碳-環(huán)氧樹脂、玻璃-乙烯基酯和聚氯乙烯（PVC）泡沫來模擬復合材料葉片。從 COMSOL Multiphysics? 軟件 5.4 版本起，“結(jié)構(gòu)力學模塊”下新增了一個“復合材料模塊”，借助此模塊，我們可以對使用 PVC 泡沫作為芯材的夾層結(jié)構(gòu)中不同的多層材料進行建模。

使用 COMSOL? 軟件仿真風力發(fā)電機復合葉片

在該模型中，復合材料葉片長 61.5 m，它的幾何圖形擁有 19 個不同的翼型截面。如下所示，6 種類型的翼型覆蓋了整個葉片。翼型的位置取決于各自的形狀：NACA 64-618 最符合空氣動力學，故位于葉片尖端；DU 99-W-405 的結(jié)構(gòu)性能出眾，所以被用作基部。二者之間的 DU 翼型平滑地連接起尖端和基部。

風力發(fā)電機葉片的幾何形狀，圖片標注了不同的翼剖面。

在創(chuàng)建載荷和邊界條件時，務必注意葉片的兩個部分：表層和翼梁。表層由外部彎曲邊界構(gòu)成，承載著全部載荷，而翼梁是內(nèi)部垂直構(gòu)件，起到加固葉片、增加抗彎剛度與抗扭剛度的作用。

作用于結(jié)構(gòu)的載荷包括葉片自身的重量和離心力。此例沒有考慮空氣動力效應和風力載荷；關注點而落在分析重力和離心載荷上。我們執(zhí)行了兩種類型的分析：

穩(wěn)態(tài)分析，主要分析單個葉片轉(zhuǎn)速（15 RPM）對應的重力載荷工況、離心力載荷工況，以及兩者的組合

預應力特征頻率分析，主要分析一系列葉片轉(zhuǎn)速（0-30 RPM）對應的離心載荷工況

模型幾何結(jié)構(gòu)顯示了作用在葉片結(jié)構(gòu)上的邊界條件與載荷，葉片左端固定到轉(zhuǎn)子輪轂上。

上文提到的夾層結(jié)構(gòu)包括以下材料：

碳-環(huán)氧樹脂層合板：結(jié)構(gòu)外層，共 10 層，每層厚度為 0.28 mm，密度為 1560 kg/m3

玻璃-乙烯基酯層合板：向內(nèi)鋪設的層合板共有 40 層，每層厚度為 0.28 mm，密度為 1890 kg/m3（堆疊順序見下圖）

PVC 泡沫：夾層的芯材厚度為 15 cm，密度為 200 kg/m3

（更多關于正交各向異性材料屬性以及如何建立此模型的信息，請參考鏈接教程。）

左圖：葉片的表層和翼梁中三種材料的排列順序。右圖：玻璃-乙烯基酯層合板的堆疊順序，圖片從下到上顯示了每層結(jié)構(gòu)板中的纖維方向。

評估模擬結(jié)果

應力分析

通過使葉片承受不同的載荷（重力、離心及二者的組合），您可以觀察表層和翼梁之間的 von Mises 應力分布。在此例中，葉片根部附近以及圓形橫截面與翼型橫截面之間的連接處存在高應力。

風力發(fā)電機設計中的 Von Mises 應力分布。

研究了碳-環(huán)氧樹脂層中的應力分布后，您可以查看在三個載荷工況下，葉片某一點上應力的全厚度變化。此例中，層合板之間和各層合板內(nèi)層之間的應力水平各不相同，最高水平位于外部的碳-環(huán)氧樹脂層之中。

不同載荷工況下 von Mises 應力的全厚度變化。

模態(tài)分析

下一步是預應力特征頻率分析，您可以深入了解離心力在不同速度下對各種模態(tài)形狀的影響。我們不在此詳細討論，但您可以計算葉片在不同速度下的特征模態(tài)形狀，借此觀察更快的速度對應力集中造成哪些影響。我們還可以將葉片停止旋轉(zhuǎn)時的模型形狀與與上述形狀進行比較，如下圖所示。

葉片的第三個特征模態(tài)形狀。

最后，坎貝爾圖顯示了葉片旋轉(zhuǎn)與特征頻率變化之間的關系。此例中，在離心鋼化效應作用下，特征頻率隨葉片轉(zhuǎn)速加快而增加。

坎貝爾圖顯示了與葉片轉(zhuǎn)速相關的特征頻率的變化。

正如此案例所演示的，在優(yōu)化風力發(fā)電機的葉片設計時，執(zhí)行應力與模態(tài)分析有助于工程師考慮不同類型的載荷。此外借助“復合材料模塊”，他們可以輕松地堆疊具有不同厚度、材料屬性和纖維方向的結(jié)構(gòu)層，分析這些結(jié)構(gòu)，并修改材料類型。