CN116123045A - 一种风机叶片芯材及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风机叶片芯材及其设计方法，该芯材包括泡沫板、玻璃纤维束、树脂和蒙皮；所述玻璃纤维束有多个以预设的预埋角度埋入泡沫板内，并贯通该泡沫板的相对二面，且各玻璃纤维束之间间隔预设的距离，所述树脂分别真空灌注于各玻璃纤维束的孔径内，并与玻璃纤维束形成紧密连接，所述蒙皮分别设在该泡沫板的相对二面处，并与玻璃纤维束形成粘接；本发明在泡沫芯材中以多角度将玻璃纤维预埋进高性能泡沫芯材的方式，玻璃纤维贯穿在泡沫结构内部形成三维网络结构，能够改善Z‑Pin结构在边缘轮廓增强的局限性、提高夹芯结构的剪切和承载能力，同时也能保留缝合增强夹芯结构制作工艺简单、操作方便、面芯粘结性能好等优点。

Description

一种风机叶片芯材及其设计方法

技术领域

本发明涉及风力发电叶片的技术领域，尤其是指一种风机叶片芯材及其设计方法。

背景技术

随着陆上风电的逐渐成熟和海上风电迎来的高潮，如何实现机组降本的同时实现减重就成了风电叶片研究的一大主题。在叶片方面对减重的贡献主要来自于新工艺和新材料，对叶片减重依靠于叶片的新材料，新材料是未来降本的一个重要方向。无论是陆上还是海上叶片的降本，树脂、玻璃纤维、各种辅材等都已经实现量产，而采用PET、PVC等高性能泡沫替代巴莎木才局部开始用在叶片上。

传统芯材结构中存在蒙皮与芯材界面结合性能差、芯强度低等问题，使得其Z向强度、刚度、冲击损伤容限低，这严重限制复合材料芯材结构在主承力结构上的应用。Z向增强技术是针对传统的泡沫夹芯复合材料在面/芯脱粘、剪切性能等方面存在不足而提出的一种有效增强方案，随着Z向增强泡沫夹芯复合材料的制备工艺不断成熟，以及对其结构与性能的研究逐渐深入，市场对这种结构的认可度不断提高。所以通过Z向增强技术将高性能泡沫芯材替代巴莎木对实现叶片减重和现有芯材模量的提高尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于为解决现有技术中的不足，提供了一种风机叶片芯材及其设计方法，在泡沫芯材中以多角度将玻璃纤维预埋进高性能泡沫芯材的方式，玻璃纤维贯穿在泡沫结构内部形成三维网络结构，能够改善Z-Pin结构在边缘轮廓增强的局限性、提高夹芯结构的剪切和承载能力，同时也能保留缝合增强夹芯结构制作工艺简单、操作方便、面芯粘结性能好等优点。

本发明通过下述技术方案实现：一种风机叶片芯材，包括泡沫板、玻璃纤维束、树脂和蒙皮；所述玻璃纤维束有多个以预设的预埋角度埋入泡沫板内，并贯通该泡沫板的相对二面，且各玻璃纤维束之间间隔预设的距离，所述树脂分别真空灌注于各玻璃纤维束的孔径内，并与玻璃纤维束形成紧密连接，所述蒙皮分别设在该泡沫板的相对二面处，并与玻璃纤维束形成粘接。

进一步，所述玻璃纤维束为无捻玻璃纤维纱。

进一步，所述玻璃纤维束的孔径截面形状为椭圆形、圆形或长方形。

进一步，各玻璃纤维束之间间隔的距离为20-30mm。

进一步，所述相邻横向两行预埋的玻璃纤维束呈180°交替。

进一步，所述泡沫板为PET高性能泡沫板或PVC高性能泡沫板。

本发明所提供的一种上述风机叶片芯材的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据风机叶片受力特点，对风机叶片模型进行有限元分析，确定风机叶片芯材设计要求；

S2、制备风机叶片芯材样品，将风机叶片芯材样品切割，分为剪切测试件和疲劳测试件；

S3、对剪切测试件进行剪切性能验证测试，同时对疲劳测试件进行疲劳弯曲验证测试，进而验证该风机叶片芯材的剪切性能和疲劳弯曲性能。

进一步，所述步骤S1包括以下步骤：

基于风机叶片受力特点，对全尺寸风机叶片模型进行有限元分析，根据DNV-GL规范，对叶片前缘和后缘分析位置基于极限载荷和疲劳载荷进行失效验证分析，推导出部件级测试的极限设计与疲劳设计载荷作为部件级测试的输入设计要求。

进一步，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、根据步骤S1得到的设计要求确定风机叶片芯材样件形状及尺寸；

S202、利用参数化有限元分析方法，在玻璃纤维束以预设的间距布置的情况下，改变玻璃纤维束的预埋角度，得到最优预埋角度比；

S203、根据预设的间距以及最优预埋角度比将玻璃纤维束预埋入泡沫板中，得到芯材预制体；

S204、将具有浸透性、易裁剪的玻璃纤维织物平整、贴合、无褶皱地铺放在芯材预制体上，将步骤S203中预埋好的玻璃纤维束约束在玻璃纤维织物内；

S205、通过真空灌注树脂成型工艺对芯材预制体实施固化，制得风机叶片芯材样件，将制得的风机叶片芯材样品切割成剪切测试件和疲劳测试件。

进一步，所述步骤S3包括以下步骤：

测试剪切测试件的平面外剪切模量效应、平面外剪切强度效应以及粘合性，重复进行上述剪切性能测试不小于6次，即满足设计认证要求；

对疲劳测试件进行加载以保证得到的疲劳测试件疲劳损伤更接近目标载荷引起的疲劳破坏；

疲劳试验载荷大小通过以下公式计算：

F_text≥F_equivalent·γ_nf·γ_sf·γ_ef；

其中，F_text为疲劳试验载荷；F_equivalent为与设计损伤等效下的等效力，与载荷循环次数有关；γ_nf为全尺寸叶片疲劳弯曲局部试验载荷增强系数，取1.15；γ_sf为全尺寸叶片疲劳弯曲测试叶片变异系数，取1.1；γ_ef为全尺寸叶片疲劳弯曲测试疲劳公式误差补偿因数，取1.05；

测试疲劳测试件的S-N曲线，记录载荷循环次数，控制叶片测试所用信号及疲劳试验的测量位置，对于每个疲劳试验系列采用统计处理得到95％置信区间的S-N曲线，即完成疲劳弯曲性能验证。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明能够根据叶片随形要求，以不同角度、孔径、密度预埋进泡沫的玻璃纤维束与上、下蒙皮组合成一个整体，实现叶片芯材定制化处理；

2、预埋玻璃纤维束孔径替代泡沫板的开槽，减少开槽工序、加工成本高的问题，为真空灌注树脂提供流道的同时，孔中树脂固化与预埋的玻璃纤维束形成类似铆接结构，起到增强玻璃钢与芯材附着强度的作用。

3、通过预埋玻璃纤维连接蒙皮，其固化后能有效提高增强芯材复合材料蒙皮和泡沫芯界面的粘接能力，避免蒙皮和芯材过早剥离。

附图说明

图1为风机叶片芯材的结构示意图。

图2为风机叶片芯材的结构剖视图。

图3为玻璃纤维束的结构剖视图。

图4为相邻横向两行预埋的玻璃纤维束呈180°交替的结构示意图。

图5为风机叶片芯材的制作流程示意图。

图6为剪切性能测试的示意图。

图7为疲劳弯曲测试的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

参见图1至图4所示，为本实施例所提供的风机叶片芯材，包括泡沫板、玻璃纤维束、树脂和蒙皮；

所述玻璃纤维束有多个以预设的预埋角度埋入泡沫板内，并贯通该泡沫板的相对二面，且各玻璃纤维束之间间隔20mm距离，所述玻璃纤维束为无捻玻璃纤维纱，其容易被树脂浸透，易于被擀平且易于驱赶气泡，与蒙皮粘接性能更好；所述树脂分别真空灌注于各玻璃纤维束的孔径内，并与玻璃纤维束形成紧密连接，所述蒙皮分别设在该泡沫板的相对二面处，并与玻璃纤维束形成粘接。其中，所述玻璃纤维束的孔径截面形状为椭圆形、圆形或长方形，所述相邻横向两行预埋的玻璃纤维束呈180°交替，所述泡沫板为PET高性能泡沫板或PVC高性能泡沫板。玻璃纤维束的预埋角度为0/90°、±30°、±45°、±60°或±75°，0/90°时材料平面内压缩性能最佳、±45°时材料剪切性能最佳，根据风机叶片前后缘各区域性能要求的不同，制备不同预埋玻璃纤维角度的芯材。

所述相邻横向两行预埋的玻璃纤维束呈180°交替：预埋进出角度∠1＝∠2，预埋角度∠1＝∠4，∠4+∠3＝180°，玻璃纤维束转变角度：∠2+∠3＝180°。

参见图5至图7所示，本实施例所提供的上述风机叶片芯材的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据风机叶片受力特点，对风机叶片模型进行有限元分析，确定风机叶片芯材设计要求，包括以下步骤：

基于风机叶片受力特点，对全尺寸风机叶片模型进行有限元分析，根据DNV-GL规范，对叶片前缘和后缘分析位置基于极限载荷和疲劳载荷进行失效验证分析，推导出部件级测试的极限设计与疲劳设计载荷作为部件级测试的输入设计要求。

S2、制备风机叶片芯材样品，将风机叶片芯材样品切割，分为剪切测试件和疲劳测试件，包括以下步骤：

S201、根据步骤S1得到的设计要求确定风机叶片芯材样件形状及尺寸；

S202、利用参数化有限元分析方法，在玻璃纤维束以预设的间距布置的情况下，改变玻璃纤维束的预埋角度，得到最优预埋角度比；

S203、根据预设的间距以及最优预埋角度比将玻璃纤维束预埋入泡沫板中，得到芯材预制体；

S204、将具有浸透性、易裁剪的玻璃纤维织物平整、贴合、无褶皱地铺放在芯材预制体上，将步骤S203中预埋好的玻璃纤维束约束在玻璃纤维织物内；

S205、通过真空灌注树脂成型工艺对芯材预制体实施固化，制得风机叶片芯材样件，将制得的风机叶片芯材样品切割成剪切测试件和疲劳测试件。

S3、对剪切测试件进行剪切性能验证测试，同时对疲劳测试件进行疲劳弯曲验证测试，进而验证该风机叶片芯材的剪切性能和疲劳弯曲性能，包括以下步骤：

通过在泡沫板中引入玻璃纤维束，露出泡沫表面的玻璃纤维束在铺层时，埋入蒙皮，将芯材与上下蒙皮连为一体，提高蒙皮和芯材之间的胶接性能，其所形成的桁架结构承受剪切和压缩载荷，泡沫也为玻璃纤维束稳定性提供侧向支撑；测试剪切测试件的平面外剪切模量效应、平面外剪切强度效应以及粘合性，重复进行上述剪切性能测试不小于6次，即满足设计认证要求；

在弯曲和轴向压力F作用下，复合材料结构常易发生失稳现象，失稳破坏总是在材料达到压缩破坏强度之前，在受压部位出现，通过在芯材内部预埋玻璃纤维束增强，玻璃纤维束与蒙皮结合在一起提高胶接面整体性以抵抗屈曲；对疲劳测试件进行加载以保证得到的疲劳测试件疲劳损伤更接近目标载荷引起的疲劳破坏，其中l₁为支撑跨距，l₂为加载跨距；

疲劳试验载荷大小通过以下公式计算：

F_text≥F_equivalent·γ_nf·γ_sf·γ_ef；

其中，F_text为疲劳试验载荷；F_equivalent为与设计损伤等效下的等效力；γ_nf为全尺寸叶片疲劳弯曲局部试验载荷增强系数，取1.15；γ_sf为全尺寸叶片疲劳弯曲测试叶片变异系数，取1.1；γ_ef为全尺寸叶片疲劳弯曲测试疲劳公式误差补偿因数，取1.05；

需要测试疲劳测试件的S-N曲线，记录载荷循环次数，控制叶片测试所用信号及疲劳试验的测量位置，对于每个疲劳试验系列采用统计处理得到95％置信区间的S-N曲线，即完成疲劳弯曲性能验证。

实施例2

与实施例1不同的是，各玻璃纤维束之间间隔30mm距离。

以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风机叶片芯材，其特征在于：包括泡沫板、玻璃纤维束、树脂和蒙皮；所述玻璃纤维束有多个以预设的预埋角度埋入泡沫板内，并贯通该泡沫板的相对二面，且各玻璃纤维束之间间隔预设的距离，所述树脂分别真空灌注于各玻璃纤维束的孔径内，并与玻璃纤维束形成紧密连接，所述蒙皮分别设在该泡沫板的相对二面处，并与玻璃纤维束形成粘接。

2.根据权利要求1所述的一种风机叶片芯材，其特征在于：所述玻璃纤维束为无捻玻璃纤维纱。

3.根据权利要求1所述的一种风机叶片芯材，其特征在于：所述玻璃纤维束的孔径截面形状为椭圆形、圆形或长方形。

4.根据权利要求1所述的一种风机叶片芯材，其特征在于：各玻璃纤维束之间间隔的距离为20-30mm。

5.根据权利要求1所述的一种风机叶片芯材，其特征在于：所述相邻横向两行预埋的玻璃纤维束呈180°交替。

6.根据权利要求1所述的一种风机叶片芯材，其特征在于：所述泡沫板为PET高性能泡沫板或PVC高性能泡沫板。

7.一种权利要求1-6任意一项所述风机叶片芯材的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据风机叶片受力特点，对风机叶片模型进行有限元分析，确定风机叶片芯材设计要求；

S2、制备风机叶片芯材样品，将风机叶片芯材样品切割，分为剪切测试件和疲劳测试件；

S3、对剪切测试件进行剪切性能验证测试，同时对疲劳测试件进行疲劳弯曲验证测试，进而验证该风机叶片芯材的剪切性能和疲劳弯曲性能。

8.根据权利要求7所述的一种风机叶片芯材的设计方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

基于风机叶片受力特点，对全尺寸风机叶片模型进行有限元分析，根据DNV-GL规范，对叶片前缘和后缘分析位置基于极限载荷和疲劳载荷进行失效验证分析，推导出部件级测试的极限设计与疲劳设计载荷作为部件级测试的输入设计要求。

9.根据权利要求7所述的一种风机叶片芯材的设计方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、根据步骤S1得到的设计要求确定风机叶片芯材样件形状及尺寸；

S202、利用参数化有限元分析方法，在玻璃纤维束以预设的间距布置的情况下，改变玻璃纤维束的预埋角度，得到最优预埋角度比；

S203、根据预设的间距以及最优预埋角度比将玻璃纤维束预埋入泡沫板中，得到芯材预制体；

S204、将具有浸透性、易裁剪的玻璃纤维织物平整、贴合、无褶皱地铺放在芯材预制体上，将步骤S203中预埋好的玻璃纤维束约束在玻璃纤维织物内；

S205、通过真空灌注树脂成型工艺对芯材预制体实施固化，制得风机叶片芯材样件，将制得的风机叶片芯材样品切割成剪切测试件和疲劳测试件。

10.根据权利要求7所述的一种风机叶片芯材的设计方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

测试剪切测试件的平面外剪切模量效应、平面外剪切强度效应以及粘合性，重复进行上述剪切性能测试不小于6次，即满足设计认证要求；

对疲劳测试件进行加载以保证得到的疲劳测试件疲劳损伤更接近目标载荷引起的疲劳破坏；

疲劳试验载荷大小通过以下公式计算：

F_text≥F_equivalent·γ_nf·γ_sf·γ_ef；

其中，F_text为疲劳试验载荷；F_equivalent为与设计损伤等效下的等效力，与载荷循环次数有关；γ_nf为全尺寸叶片疲劳弯曲局部试验载荷增强系数，取1.15；γ_sf为全尺寸叶片疲劳弯曲测试叶片变异系数，取1.1；γ_ef为全尺寸叶片疲劳弯曲测试疲劳公式误差补偿因数，取1.05；

测试疲劳测试件的S-N曲线，记录载荷循环次数，控制叶片测试所用信号及疲劳试验的测量位置，对于每个疲劳试验系列采用统计处理得到95％置信区间的S-N曲线，即完成疲劳弯曲性能验证。

Images