CN105464910B - 形状记忆纤维混杂复合材料风力发电机叶片及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种形状记忆纤维混杂复合材料风力发电机叶片及其制作方法，用于解决现有风机叶片由于风的不稳定性造成风机叶片形成颤振的技术问题。技术方案是风机叶片采用记忆型形状记忆纤维混杂复合材料作为驱动材料，通过控制通电电流的大小改变记忆型形状记忆纤维的刚度，进而改变形状记忆混杂复合材料的刚度，实现叶片材料的变刚度控制，以此使得叶片的固有频率远离激振力频率范围，避免了叶片颤振对风机的损坏。由于采用形状记忆纤维混杂复合材料，相比于背景技术玻璃纤维增强复合材料，能够显著降低风力发电机叶片的振动，并能实现叶片的半主动控制，解决了风力发电机叶片颤振的问题。成本相比于碳纤维复合材料风力发电机叶片更为低廉。

Description

形状记忆纤维混杂复合材料风力发电机叶片及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种形状记忆纤维混杂复合材料风力发电机叶片，还涉及这种形状记忆纤维混杂复合材料风力发电机叶片的制作方法。
背景技术
形状记忆合金(SMA)是一种新型智能材料，可以有效地抑制振动，其在高温奥氏体状态下的弹性模量比低温马氏体高3倍以上，因此可以通过在结构中埋入SMA丝并对结构加热，增大局部或整体的刚度，进而改变结构的振动特性，避开结构的共振频率，实现对结构的半主动控制，抑制结构的振动。
文献“授权公告号CN102606414B的中国发明专利”公开了一种包含阻尼减振结构层风力发电机叶片及其制造方法。该专利的制造方法包括阻尼减振结构层预成型和叶片成型两大步骤，其中阻尼减振材料层被包裹在叶片主体内，可以有效提高叶片抗强风冲击性能，降低有害振动幅度，属于振动被动控制，只能在一定频率的范围内降低有害振动幅度，无法解决现有风机叶片由于风的不稳定性造成风机叶片剧烈振动而形成颤振的问题。
发明内容
为了克服现有风机叶片由于风的不稳定性造成风机叶片形成颤振的不足，本发明提供一种形状记忆纤维混杂复合材料风力发电机叶片。该风机叶片采用记忆型形状记忆纤维混杂复合材料作为驱动材料，通过控制通电电流的大小改变记忆型形状记忆纤维的刚度，进而改变形状记忆混杂复合材料的刚度，实现叶片材料的变刚度控制，以此使得叶片的固有频率远离激振力频率范围，避免了叶片颤振对风机的损坏。由于采用形状记忆纤维混杂复合材料，相比于背景技术玻璃纤维增强复合材料，能够显著降低风力发电机叶片的振动，并能实现叶片的半主动控制，解决了风力发电机叶片颤振的问题。成本相比于碳纤维复合材料风力发电机叶片更为低廉。
本发明还提供上述形状记忆纤维混杂复合材料风力发电机叶片的制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种形状记忆纤维混杂复合材料风力发电机叶片，包括外蒙皮1、前缘板2、横梁盖3、后缘板4、抗剪腹板5和尾板6，其特点是：所述的外蒙皮1采用玻璃纤维增强复合材料，前缘板2和后缘板4由记忆型形状记忆纤维织布7和基体树脂8制备而成，横梁盖3采用单向纤维增强复合材料，抗剪腹板5由超弹型形状记忆纤维薄带10与芯层玻璃纤维树脂基复合材料9粘接而成，尾板6采用玻璃纤维增强复合材料。前缘板2与外蒙皮1采用环氧树脂粘接，构成叶片前半部分，尾板6与后缘板4，后缘板4与外蒙皮1采用环氧树脂粘接，构成叶片后半部分。抗剪腹板5夹层结构之间采用环氧树脂胶膜进行粘接。
一种上述形状记忆纤维混杂复合材料风力发电机叶片的制作方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、制作真空灌注金属模具：风机叶片采用NACA4412翼型，分别制作外蒙皮1、前缘板2、横梁盖3、后缘板4、抗剪腹板5和尾板6的真空灌注金属模具。
步骤二、制作记忆型形状记忆纤维织布7：采用二轴三维的编织方法将记忆型形状记忆纤维固定于混杂纤维织布中，形成记忆型形状记忆纤维织布7。所述的混杂纤维包括记忆型形状记忆纤维和玻璃纤维。
步骤三、记忆型形状记忆纤维丝预拉伸：利用夹具对记忆型形状记忆纤维丝进行预拉伸，预拉伸形变在3％到5％之间。
步骤四、制作前缘板2和后缘板4：前缘板2和后缘板4的复合材料结构由记忆型形状记忆纤维织布7和基体树脂8组成，采用RTM成型工艺将记忆型形状记忆纤维织布7和基体树脂8组合形成前缘板2和后缘板4。
步骤五、制作外蒙皮1和尾板6：采用RTM成型工艺进行成型加工玻璃纤维增强复合材料，制作外蒙皮1和尾板6。
步骤六、制作横梁盖3：将玻璃纤维预浸料加入横梁盖3的金属对模内，采用模压成型方法，经加热、固化成型。
步骤七、制作抗剪腹板5：采用RTM成型工艺加工芯层玻璃纤维增强树脂基复合材料9；采用环氧树脂将超弹型形状记忆纤维薄带10与芯层玻璃纤维树脂基复合材料9粘接成抗剪腹板5。
步骤八、采用环氧树脂分别粘接抗剪腹板5与外蒙皮1，前缘板2与外蒙皮1，尾板6与外蒙皮1，后缘板4与尾板6，横梁盖3与外蒙皮1，横梁盖3与抗剪腹板5形成风机叶片。
本发明的有益效果是：该风机叶片采用记忆型形状记忆纤维混杂复合材料作为驱动材料，通过控制通电电流的大小改变记忆型形状记忆纤维的刚度，进而改变形状记忆混杂复合材料的刚度，实现叶片材料的变刚度控制，以此使得叶片的固有频率远离激振力频率范围，避免了叶片颤振对风机的损坏。由于采用形状记忆纤维混杂复合材料，相比于背景技术玻璃纤维增强复合材料，能够显著降低风力发电机叶片的振动，并能实现叶片的半主动控制，解决了风力发电机叶片颤振的问题。成本相比于碳纤维复合材料风力发电机叶片更为低廉。
以下结合附图和实施例详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明形状记忆纤维混杂复合材料风力发电机叶片的结构示意图。
图2是图1中前缘板的横截面放大图。
图3是图1中抗剪腹板的横截面放大图。
图中，1-外蒙皮，2-前缘板，3-横梁盖，4-后缘板，5-抗剪腹板，6-尾板，7-记忆型形状记忆纤维织布，8-基体树脂，9-芯层玻璃纤维增强树脂基复合材料，10-超弹型形状记忆纤维。
具体实施方式
以下实施例参照图1-3。
装置实施例。
本发明形状记忆纤维混杂复合材料风力发电机叶片包括外蒙皮1、前缘板2、横梁盖3、后缘板4、抗剪腹板5和尾板6。所述的外蒙皮1采用玻璃纤维增强复合材料，前缘板2和后缘板4由记忆型形状记忆纤维织布7和基体树脂8制备而成，横梁盖3采用单向纤维增强复合材料，抗剪腹板5由超弹型形状记忆纤维薄带10与芯层玻璃纤维树脂基复合材料9粘接而成，尾板6采用玻璃纤维增强复合材料。前缘板2与外蒙皮1采用环氧树脂粘接，构成叶片前半部分，尾板6与后缘板4，后缘板4与外蒙皮1采用环氧树脂粘接，构成叶片后半部分。抗剪腹板5夹层结构之间采用环氧树脂胶膜进行粘接。
方法实施例。
一种上述形状记忆纤维混杂复合材料风力发电机叶片的制作方法，具体步骤如下：
1.制作真空灌注模具：
风机叶片的翼型采用NACA4412翼型，以实际应用为前提计算所需要的叶片尺寸，并以此确定模具尺寸，分别制作外蒙皮1、前缘板2、横梁盖3、后缘板4、抗剪腹板5和尾板6的金属模具。
2.制作记忆型形状记忆纤维织布7：
混杂纤维包括记忆型形状记忆纤维和玻璃纤维，采用二轴三维的编织方法将记忆型形状记忆纤维固定于混杂纤维织布中，形成记忆型形状记忆纤维织布7。
3.纤维丝预拉伸：
利用夹具对记忆型形状记忆纤维丝进行预拉伸，预拉伸形变在3％到5％之间，增强其后期的减振效果。
4.制作前缘板2和后缘板4：
前缘板2和后缘板4的复合材料结构由记忆型形状记忆纤维织布7和基体树脂8组成，固定含有已经进行过预拉伸的记忆型形状记忆纤维丝的混杂纤维织布，采用RTM成型工艺进行成型加工该混杂纤维增强复合材料形成前缘板2和后缘板4。
5.制作外蒙皮1和尾板6：
采用RTM成型工艺进行成型加工玻璃纤维增强复合材料，制作外蒙皮1和尾板6。
6.制作横梁盖3:
将玻璃纤维预浸料加入横梁盖3的金属对模内，采用模压成型方法，经加热、固化成型。
7.制作抗剪腹板5:
采用RTM成型工艺加工芯层玻璃纤维增强树脂基复合材料9；采用环氧树脂将超弹型形状记忆纤维薄带10与芯层玻璃纤维树脂基复合材料9粘接成抗剪腹板5。
8.采用环氧树脂固化的方法将上述部件进行粘接：
粘接抗剪腹板5与外蒙皮1。采用环氧树脂粘接抗剪腹板5与外蒙皮1。
粘接前缘板2与外蒙皮1。采用环氧树脂进行前缘板2与外蒙皮1之间的粘接。
粘接尾板6与外蒙皮1。采用环氧树脂粘接尾板6与外蒙皮1。
粘接后缘板4与尾板6。采用环氧树脂粘接后缘板4与尾板6。
粘接横梁盖3与外蒙皮1、抗剪腹板5。采用环氧树脂进行横梁盖3与外蒙皮1、横梁盖3与抗剪腹板5之间的粘接。
本发明的半主动控制风机叶片振动的方法如下：
对记忆型形状记忆纤维通以不同大小的电流使得埋入的记忆型形状记忆纤维丝具有不同的模量，从而使得其具有可变化的固有频率，以此通过控制温度范围使得叶片的固有频率远离激振力频率范围。采用交替加热的方式对记忆型形状记忆纤维丝进行通电加热，以此增大了形状记忆纤维丝的频率控制范围。对每一个叶片，在一个固定周期内轮流对叶片上表面外侧、上表面内侧、下表面外侧、下表面内侧的记忆型形状记忆纤维丝进行通电加热，以确保叶片整体温度处于稳定状态。

Claims (1)

1.一种形状记忆纤维混杂复合材料风力发电机叶片的制作方法，叶片包括外蒙皮(1)、前缘板(2)、横梁盖(3)、后缘板(4)、抗剪腹板(5)和尾板(6)，其特征在于：所述的外蒙皮(1)采用玻璃纤维增强复合材料，前缘板(2)和后缘板(4)由记忆型形状记忆纤维织布(7)和基体树脂(8)制备而成，横梁盖(3)采用单向纤维增强复合材料，抗剪腹板(5)由超弹型形状记忆纤维薄带(10)与芯层玻璃纤维树脂基复合材料(9)粘接而成，尾板(6)采用玻璃纤维增强复合材料；前缘板(2)与外蒙皮(1)采用环氧树脂粘接，构成叶片前半部分，尾板(6)与后缘板(4)，后缘板(4)与外蒙皮(1)采用环氧树脂粘接，构成叶片后半部分；抗剪腹板(5)夹层结构之间采用环氧树脂胶膜进行粘接，其特征在于制作方法包括以下步骤：
步骤一、制作真空灌注金属模具：风机叶片采用NACA4412翼型，分别制作外蒙皮(1)、前缘板(2)、横梁盖(3)、后缘板(4)、抗剪腹板(5)和尾板(6)的真空灌注金属模具；
步骤二、制作记忆型形状记忆纤维织布(7)：采用二轴三维的编织方法将记忆型形状记忆纤维固定于混杂纤维织布中，形成记忆型形状记忆纤维织布(7)；所述的混杂纤维包括记忆型形状记忆纤维和玻璃纤维；
步骤三、记忆型形状记忆纤维丝预拉伸：利用夹具对记忆型形状记忆纤维丝进行预拉伸，预拉伸形变在3％到5％之间；
步骤四、制作前缘板(2)和后缘板(4)：前缘板(2)和后缘板(4)的复合材料结构由记忆型形状记忆纤维织布(7)和基体树脂(8)组成，采用RTM成型工艺将记忆型形状记忆纤维织布(7)和基体树脂(8)组合形成前缘板(2)和后缘板(4)；
步骤五、制作外蒙皮(1)和尾板(6)：采用RTM成型工艺进行成型加工玻璃纤维增强复合材料，制作外蒙皮(1)和尾板(6)；
步骤六、制作横梁盖(3)：将玻璃纤维预浸料加入横梁盖(3)的金属对模内，采用模压成型方法，经加热、固化成型；
步骤七、制作抗剪腹板(5)：采用RTM成型工艺加工芯层玻璃纤维增强树脂基复合材料(9)；采用环氧树脂将超弹型形状记忆纤维薄带(10)与芯层玻璃纤维树脂基复合材料(9)粘接成抗剪腹板(5)；
步骤八、采用环氧树脂分别粘接抗剪腹板(5)与外蒙皮(1)，前缘板(2)与外蒙皮(1)，尾板(6)与外蒙皮(1)，后缘板(4)与尾板(6)，横梁盖(3)与外蒙皮(1)，横梁盖(3)与抗剪腹板(5)形成风机叶片。
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