CN104847595A - 一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构，包括相配合形成有叶片空腔的上半叶片壳体和下半叶片壳体以及主梁，主梁的上缘与上半叶片壳体的内壁紧密相贴配形成有上接合面，该主梁的下缘与下半叶片壳体的内壁紧密相贴配形成有下接合面，上接合面的接合处以及下接合面的接合处均植入有起钉扎桥联作用提高主梁与上半叶片壳体间和主梁与下半叶片壳体间连接强度的Z-pin，叶片空腔中位于主梁的两侧填充有填充泡沫。本发明能明显改善复合材料层合板的层间韧性，并且其制造方法简单、可设计性强、易于整体成型，同时还具有减重性好、抗剪切、抗剥离性能强、对纤维损伤小的优点。

Description

一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及复合材料增强技术领域，特别是涉及一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构及其制造方法。
背景技术
风电叶片是风力发电机组中能量转化的关键部件，也是受力最为复杂的部件，其设计制造的好坏直接关系到风力发电机的效率和使用寿命，影响着整个系统的性能，其中复合材料风电叶片因为其轻质高强、可设计性及承载性能好、疲劳性能好等优点，得到越来越广泛的应用。从制作叶片的工艺上讲，目前的大、中型风机叶片基本上采用蒙皮和主梁的构造形式，通过多步成型工艺制备，即先分别制作叶片的上、下外壳和龙骨梁（腹板）后，再粘成一体。蒙皮和主梁是叶片最主要的两部分，叶片上大部分的弯曲载荷由主梁承担，蒙皮起气动作用并且承担部分弯曲载荷和大部分的剪切载荷。由于粘接处的强度远远低于壳体本身的强度，使叶壳性能得不到充分发挥，类似开口薄壁梁的承载能力很弱，因此导致了风电叶片上、下半壳体与主梁结构的连接界面性能较差，以及抗剥离性能低的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供能有效增强上、下半壳体与主梁连接处的连接强度与抗疲劳性能，改善复合材料层合板的层间韧性，并且减重性好、抗剪切、抗剥离性能强、对纤维损伤小的一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构及其制造方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构，包括相配合形成有叶片空腔的上半叶片壳体和下半叶片壳体以及位于叶片空腔中用于承担风电叶片大部分弯曲载荷的主梁，主梁的上缘与上半叶片壳体的内壁紧密相贴配形成有上接合面，该主梁的下缘与下半叶片壳体的内壁紧密相贴配形成有下接合面，上接合面的接合处以及下接合面的接合处均植入有起钉扎桥联作用提高主梁与上半叶片壳体间和主梁与下半叶片壳体间连接强度的Z-pin，叶片空腔中位于主梁的两侧填充有对风电叶片形态起维形作用的填充泡沫。
为优化上述技术方案，采取的措施还包括：
上述的Z-pin为针状细杆体的一种金属类或复合材料类的圆柱型短棒。
上述的主梁为D型主梁、矩形主梁或双拼槽钢主梁。
上述的主梁为工字型主梁，该工字型主梁的上缘上表面与上半壳体的内壁紧密相贴配，工字型主梁的下缘下表面与下半壳体内壁紧密相贴配。
上述位于上接合面接合处的Z-pin的植入方向垂直于上接合面，位于下接合面接合处的Z-pin的植入方向垂直于下接合面。
一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构的制造方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：通过先进拉挤设备制备高性能Z-pin，设计Z-pin参数，再将Z-pin植入泡沫预制体中；
步骤二：在专用模具上，按照设计的铺层顺序及层数铺覆复合材料的主梁；
步骤三：在风电叶片的上模具中铺覆上半叶片壳体，在风电叶片的下模具中铺覆下半叶片壳体，然后将上述铺覆后的主梁放置于下半叶片壳体的预定部位，使主梁的下缘下表面紧贴下半叶片壳体的内壁，从而形成有下接合面；
步骤四：利用热压将上述含有Z-pin的泡沫预制体压弯，使泡沫预制体与主梁的下缘上表面相贴合；
步骤五：将含有Z-pin的泡沫预制体中的Z-pin植入到由主梁与下半叶片壳体形成的下接合面的接合处，使Z-pin垂直贯穿于主梁下缘与下半叶片壳体的下接合面，然后除去泡沫载体和多余的Z-pin；
步骤六：在主梁的两侧浇注泡沫发泡料，然后将上述铺覆有上半叶片壳体的上模具与下模具对合并锁紧，使上半叶片壳体的内壁与主梁的上缘上表面相贴合，从而形成有上接合面；
步骤七：待上述浇注的泡沫发泡料发泡结束形成填充泡沫后，利用填充泡沫对由上半叶片壳体和下半叶片壳体相配合构成的风电叶片壳体的维形作用取下上模具，然后再将另一个含有Z-pin的泡沫预制体压弯，使该含有Z-pin的泡沫预制体与上半叶片壳体的外壁相贴合；
步骤八：将该含Z-pin的泡沫预制体中的Z-pin植入至由上半叶片壳体与主梁形成的上接合面的接合处，使Z-pin垂直贯穿于上半叶片壳体与主梁上缘的上接合面。
步骤九：除去上述泡沫载体和多余的Z-pin，从而得到未固化的Z-pin增强复合材料风电叶片；
步骤十：再次合上上模具；将上述未固化的Z-pin增强复合材料风电叶片固化，从而得到本产品。
上述的步骤五中和步骤八中Z-pin的植入均为采用超声枪植入。
上半叶片壳体与主梁的上缘、下半叶片壳体与主梁的下缘采用共固化的方式整体成型。
与现有技术相比，本发明提供的Z-pin增强复合材料风电叶片，将Z-pin分别植入主梁上缘与上半叶片壳体、主梁下缘与下半叶片壳体的连接部位，通过Z-pin增强风电叶片壳体与主梁的连接强度与抗疲劳性能。本发明能明显改善复合材料层合板的层间韧性，并具有操作简单、可设计性强、易于整体成型、减重性好、抗剪切、抗剥离性能强、对纤维损伤小的优点。
本发明的增强原理如下：当风电叶片受力时，Z-pin对上、下半叶片壳体与主梁的桥联力阻碍裂纹的扩展，减缓裂纹扩展的速度，同时Z-pin的“钉扎”效应和自身变形抑制裂纹扩展，从而提高风电叶片上、下半叶片壳体与主梁的连接强度与抗疲劳性能。
附图说明
图1为不含Z-pin增强复合材料风电叶片横截面示意图；
图2为本发明Z-pin植入工字型主梁下缘与下半叶片壳体连接部位的示意图；
图3为本发明Z-pin植入工字型主梁上缘与上半叶片壳体连接部位的示意图；
图4为工字型主梁本发明的横截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
图1为传统不含Z-pin增强复合材料风电叶片结构示意图，图2至图4为本发明的结构示意图。
其中的附图标记为：上半叶片壳体1、下半叶片壳体2、主梁3、填充泡沫4、Z-pin5、泡沫载体6。
如图2至图4所示，本发明的一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构，包括相配合形成有叶片空腔的上半叶片壳体1和下半叶片壳体2以及位于叶片空腔中用于承担风电叶片大部分弯曲载荷的主梁3，主梁3的上缘与上半叶片壳体1的内壁紧密相贴配形成有上接合面，该主梁3的下缘与下半叶片壳体2的内壁紧密相贴配形成有下接合面，上接合面的接合处以及下接合面的接合处均植入有起钉扎桥联作用提高主梁1与上半叶片壳体1间和主梁3与下半叶片壳体2间连接强度的Z-pin5，叶片空腔中位于主梁3的两侧填充有对风电叶片形态起维形作用的填充泡沫4。图1为传统的风电叶片横截面结构示意图，从图中可以看到，主梁3的上缘和下缘分别与上半叶片壳体1和下半叶片壳体2连接在一起，传统的工艺是先分别制作风电叶片的上半叶片壳体1、下半叶片壳体2和主梁3，然后再三者粘合成一体。但是这种粘合法存在的缺陷是主梁3的上缘与上半叶片壳体1的接合面，以及主梁3的下缘与下半叶片壳体2的接合面，其接合面的粘接强度远远低于风电叶片壳体本身的强度，使风电叶片壳体的性能得不到充分发挥，导致其类似开口薄壁梁的承载能力很弱。本发明将Z-pin技术用于增强上半叶片壳体1、下半叶片壳体2与主梁3的连接性能。本发明将Z-pin5分别植入主梁3上缘与上半叶片壳体1、主梁3下缘与下半叶片壳体2的连接部位，通过Z-pin5增强风电叶片壳体与主梁5的连接强度与抗疲劳性能。
本发明的增强原理如下：当风电叶片受力时，Z-pin对上、下半叶片壳体与主梁5的桥联力阻碍裂纹的扩展，减缓裂纹扩展的速度，同时Z-pin5的“钉扎”效应和自身变形抑制裂纹扩展，从而提高风电叶片上、下半叶片壳体与主梁的连接强度与抗疲劳性能。
本发明的Z-pin5为针状细杆体的一种金属类或复合材料类的圆柱型短棒。Z-pin三维增强技术是在不连续缝合技术基础上发展而来的新三维增强技术，Z-pin是指一种金属类或复合材料类圆柱型短棒。Z-pin技术是将针状细杆Z-pin植入到铺迭好的预浸料中形成三维增强，经共固化形成的整体结构。该项技术可明显改善复合材料层合板的层间韧性，并具有操作简单、可设计性强、易于整体成型、减重性好、抗剪切、抗剥离性能强、对纤维损伤小的优点。
实施例中，主梁3为D型主梁、矩形主梁或双拼槽钢主梁。
实施例一：本发明的一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构的制造方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：通过先进拉挤设备制备高性能Z-pin5，设计Z-pin5参数，再将Z-pin5植入泡沫预制体6中；
步骤二：在专用模具上，按照设计的铺层顺序及层数铺覆复合材料的主梁3；
步骤三：在风电叶片的上模具中铺覆上半叶片壳体1，在风电叶片的下模具中铺覆下半叶片壳体2，然后将上述铺覆后的主梁3放置于下半叶片壳体2的预定部位，使主梁3的下缘下表面紧贴下半叶片壳体2的内壁，从而形成有下接合面；
步骤四：利用热压将上述含有Z-pin5的泡沫预制体6压弯，使泡沫预制体6与主梁3的下缘上表面相贴合；
步骤五：将含有Z-pin5的泡沫预制体6中的Z-pin5植入到由主梁3与下半叶片壳体2形成的下接合面的接合处，使Z-pin5垂直贯穿于主梁3下缘与下半叶片壳体2的下接合面，然后除去泡沫载体6和多余的Z-pin5，本发明所说的多余的Z-pin5是指没有植入的Z-pin5；
步骤六：在主梁3的两侧浇注泡沫发泡料，然后将上述铺覆有上半叶片壳体1的上模具与下模具对合并锁紧，使上半叶片壳体1的内壁与主梁3的上缘上表面相贴合，从而形成有上接合面；
步骤七：待上述浇注的泡沫发泡料发泡结束形成填充泡沫4后，利用填充泡沫4对由上半叶片壳体1和下半叶片壳体2相配合构成的风电叶片壳体的维形作用取下上模具，然后再将另一个含有Z-pin5的泡沫预制体6压弯，使该含有Z-pin5的泡沫预制体6与上半叶片壳体1的外壁相贴合；
步骤八：将该含Z-pin5的泡沫预制体6中的Z-pin5植入至由上半叶片壳体1与主梁3形成的上接合面的接合处，使Z-pin5垂直贯穿于上半叶片壳体1与主梁3上缘的上接合面。
步骤九：除去上述泡沫载体6和多余的Z-pin5，从而得到未固化的Z-pin增强复合材料风电叶片；
步骤十：再次合上上模具；将上述未固化的Z-pin增强复合材料风电叶片固化，从而得到本产品。
上述的步骤五中和步骤八中Z-pin5的植入均为采用超声枪植入。
上半叶片壳体1与主梁3的上缘、下半叶片壳体2与主梁3的下缘采用共固化的方式整体成型。位于上接合面接合处的Z-pin5的植入方向垂直于上接合面，位于下接合面接合处的Z-pin5的植入方向垂直于下接合面。
实施例二：
本发明的一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构，包括相配合形成有叶片空腔的上半叶片壳体1和下半叶片壳体2以及位于叶片空腔中用于承担风电叶片大部分弯曲载荷的工字型主梁3，工字型主梁3的上缘与上半叶片壳体1的内壁紧密相贴配形成有上接合面，该工字型主梁3的下缘与下半叶片壳体2的内壁紧密相贴配形成有下接合面，上接合面的接合处以及下接合面的接合处均植入有起钉扎桥联作用提高主梁1与上半叶片壳体1间和工字型主梁3与下半叶片壳体2间连接强度的Z-pin5，叶片空腔中位于工字型主梁3的两侧填充有对风电叶片形态起维形作用的填充泡沫4。本发明在Z-pin5植入时，其最佳效果是：位于上接合面接合处的Z-pin5的植入方向垂直于上接合面，位于下接合面接合处的Z-pin5的植入方向垂直于下接合面。本发明的上半叶片壳体1与工字型主梁3的上缘、下半叶片壳体2与工字型主梁3的下缘采用共固化的方式整体成型，并且Z-pin5的植入采用超声枪植入。
本发明的一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构的制造方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：通过先进拉挤设备制备高性能Z-pin5，设计Z-pin5参数，再将Z-pin5植入泡沫预制体6中；
步骤二：在专用模具上，按照设计的铺层顺序及层数铺覆复合材料的工字型主梁3；
步骤三：在风电叶片的上模具中铺覆上半叶片壳体1，在风电叶片的下模具中铺覆下半叶片壳体2，然后将上述铺覆后的工字型主梁3放置于下半叶片壳体2的预定部位，使工字型主梁3的下缘下表面紧贴下半叶片壳体2的内壁，从而形成有下接合面；
步骤四：利用热压将上述含有Z-pin5的泡沫预制体6压弯，使泡沫预制体6与工字型主梁3的下缘上表面相贴合；
步骤五：将含有Z-pin5的泡沫预制体6中的Z-pin5植入到由工字型主梁3与下半叶片壳体2形成的下接合面的接合处，使Z-pin5垂直贯穿于工字型主梁3下缘与下半叶片壳体2的下接合面，然后除去泡沫载体6和多余的Z-pin5，本发明所说的多余的Z-pin5是指没有植入的Z-pin5；
步骤六：在工字型主梁3的两侧浇注泡沫发泡料，然后将上述铺覆有上半叶片壳体1的上模具与下模具对合并锁紧，使上半叶片壳体1的内壁与工字型主梁3的上缘上表面相贴合，从而形成有上接合面；
步骤七：待上述浇注的泡沫发泡料发泡结束形成填充泡沫4后，利用填充泡沫4对由上半叶片壳体1和下半叶片壳体2相配合构成的风电叶片壳体的维形作用取下上模具，然后再将另一个含有Z-pin5的泡沫预制体6压弯，使该含有Z-pin5的泡沫预制体6与上半叶片壳体1的外壁相贴合；
步骤八：将该含Z-pin5的泡沫预制体6中的Z-pin5植入至由上半叶片壳体1与工字型主梁3形成的上接合面的接合处，使Z-pin5垂直贯穿于上半叶片壳体1与工字型主梁3上缘的上接合面。
步骤九：除去上述泡沫载体6和多余的Z-pin5，从而得到未固化的Z-pin增强复合材料风电叶片；
步骤十：再次合上上模具；将上述未固化的Z-pin增强复合材料风电叶片固化，从而得到本产品。
实施例中，本发明也同样适用于采用铺带工艺整体成型壳体工艺。
本发明提供的Z-pin增强复合材料风电叶片，将Z-pin分别植入工字型主梁上缘与上半叶片壳体、工字型主梁下缘与下半叶片壳体的连接部位，通过Z-pin增强风电叶片壳体与工字型主梁的连接强度与抗疲劳性能。
本发明可以显著提高复合材料风电叶片上、下叶片壳体与工字型主梁的连接强度与抗疲劳性能，避免由于上、下叶片壳体与主梁连接处的脱胶引起的结构破坏以及壳体性能得不到发挥。而且Z-pin轻质高强满足风电叶片对材料的要求。

Claims (8)

1.一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构，包括相配合形成有叶片空腔的上半叶片壳体(1)和下半叶片壳体(2)以及位于叶片空腔中用于承担风电叶片大部分弯曲载荷的主梁(3)，其特征是：所述的主梁(3)的上缘与上半叶片壳体(1)的内壁紧密相贴配形成有上接合面，该主梁(3)的下缘与下半叶片壳体(2)的内壁紧密相贴配形成有下接合面，所述的上接合面的接合处以及下接合面的接合处均植入有起钉扎桥联作用提高主梁(1)与上半叶片壳体(1)间和主梁(3)与下半叶片壳体(2)间连接强度的Z-pin(5)，所述的叶片空腔中位于主梁(3)的两侧填充有对风电叶片形态起维形作用的填充泡沫(4)。
2.根据权利要求1所述的一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构，其特征是：所述的Z-pin(5)为针状细杆体的一种金属类或复合材料类的圆柱型短棒。
3.根据权利要求1所述的一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构，其特征是：所述的主梁(3)为D型主梁、矩形主梁或双拼槽钢主梁。
4.根据权利要求1所述的一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构，其特征是：所述的主梁(3)为工字型主梁，该工字型主梁的上缘上表面与上半壳体的内壁紧密相贴配，工字型主梁的下缘下表面与下半壳体内壁紧密相贴配。
5.根据权利要求1所述的一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构，其特征是：所述位于上接合面接合处的Z-pin(5)的植入方向垂直于上接合面，所述的位于下接合面接合处的Z-pin(5)的植入方向垂直于下接合面。
6.根据权利要求1所述的一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构的制造方法，其特征是：该方法包括以下步骤：
步骤一：通过先进拉挤设备制备高性能Z-pin(5)，设计Z-pin(5)参数，再将Z-pin(5)植入泡沫预制体(6)中；
步骤二：在专用模具上，按照设计的铺层顺序及层数铺覆复合材料的主梁(3)；
步骤三：在风电叶片的上模具中铺覆上半叶片壳体(1)，在风电叶片的下模具中铺覆下半叶片壳体(2)，然后将上述铺覆后的主梁(3)放置于下半叶片壳体(2)的预定部位，使主梁(3)的下缘下表面紧贴下半叶片壳体(2)的内壁，从而形成有下接合面；
步骤四：利用热压将上述含有Z-pin(5)的泡沫预制体(6)压弯，使泡沫预制体(6)与主梁(3)的下缘上表面相贴合；
步骤五：将含有Z-pin(5)的泡沫预制体(6)中的Z-pin(5)植入到由主梁(3)与下半叶片壳体(2)形成的下接合面的接合处，使Z-pin(5)垂直贯穿于主梁(3)下缘与下半叶片壳体(2)的下接合面，然后除去泡沫载体(6)和多余的Z-pin(5)；
步骤六：在主梁(3)的两侧浇注泡沫发泡料，然后将上述铺覆有上半叶片壳体(1)的上模具与下模具对合并锁紧，使上半叶片壳体(1)的内壁与主梁(3)的上缘上表面相贴合，从而形成有上接合面；
步骤七：待上述浇注的泡沫发泡料发泡结束形成填充泡沫(4)后，利用填充泡沫(4)对由上半叶片壳体(1)和下半叶片壳体(2)相配合构成的风电叶片壳体的维形作用取下上模具，然后再将另一个含有Z-pin(5)的泡沫预制体(6)压弯，使该含有Z-pin(5)的泡沫预制体(6)与上半叶片壳体(1)的外壁相贴合；
步骤八：将该含Z-pin(5)的泡沫预制体(6)中的Z-pin(5)植入至由上半叶片壳体(1)与主梁(3)形成的上接合面的接合处，使Z-pin(5)垂直贯穿于上半叶片壳体(1)与主梁(3)上缘的上接合面；
步骤九：除去上述泡沫载体(6)和多余的Z-pin(5)，从而得到未固化的Z-pin增强复合材料风电叶片；
步骤十：再次合上上模具；将上述未固化的Z-pin增强复合材料风电叶片固化，从而得到本产品。
7.根据权利要求6所述的一种Z-pin增强复合材料风电叶片结构的制造方法，其特征是：所述的步骤五中和步骤八中Z-pin(5)的植入均为采用超声枪植入。
8.根据权利要求7所述的一种Z-pin增强复合材料风电叶片的制造方法，其特征是：上半叶片壳体(1)与主梁(3)的上缘、下半叶片壳体(2)与主梁(3)的下缘采用共固化的方式整体成型。
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