風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片老化性能研究

李高峰

（國華（河北）新能源有限公司，河北張家口075000）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種將風(fēng)能產(chǎn)生的空氣動(dòng)壓轉(zhuǎn)換為風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，進(jìn)而將該動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的能源裝置，是當(dāng)前可再生新能源發(fā)電技術(shù)的重要實(shí)現(xiàn)方式。隨著人類科技對更大功率風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的需求，風(fēng)力機(jī)的葉片長度不斷加大，如果不進(jìn)行材料革新，風(fēng)力機(jī)葉片的重量也會(huì)快速增加，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)葉片本身消耗的風(fēng)能快速增加，風(fēng)力機(jī)效率隨著其功率增加而快速降低。所以，風(fēng)力機(jī)的大型化、輕量化技術(shù)革新需求也與日俱增。

在實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)葉片大型化和輕量化多目標(biāo)技術(shù)革新時(shí)，使用密度更低的復(fù)合材料進(jìn)行風(fēng)力機(jī)葉片構(gòu)型，是有效解決該技術(shù)矛盾點(diǎn)的重要手段。但當(dāng)前技術(shù)條件下復(fù)合材料在抗氧化、抗風(fēng)化、抗熱脹、分子結(jié)構(gòu)及分子間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面都有待進(jìn)一步研究，如何保障風(fēng)力機(jī)葉片使用復(fù)合材料后，其材料壽命成本可以與風(fēng)力機(jī)葉片“重量-效率”成本關(guān)系相呼應(yīng)，是本文的研究重點(diǎn)。該研究通過有限元分析法，對不同復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片的實(shí)際老化性能對其力學(xué)性能的影響進(jìn)行分析，最終發(fā)現(xiàn)不同復(fù)合材料在老化過程中的力學(xué)性能表達(dá)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 該有限元分析的概念與數(shù)學(xué)模型

有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。利用簡單而又相互作用的元素（即單元），就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。

風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析的理論基礎(chǔ)是有限單元法，它通過將結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的大型幾何體離散成有限數(shù)目單元體，對每個(gè)單元體應(yīng)用彈性力學(xué)基本方程和最小位能原理進(jìn)行聯(lián)立求解，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，可解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。對于一個(gè)連續(xù)的彈性體，在用有限元法進(jìn)行離散化后，這些單元都通過節(jié)點(diǎn)傳遞載荷，則任意單元體的位移向量U可表示為：

式（1）中，U為任意單元體的位移向量；N為形函數(shù)矩陣；ue為任意單元體節(jié)點(diǎn)的位移向量。

根據(jù)連續(xù)彈性體的幾何方程和式（1），并令B=LN，則任意單元體的應(yīng)變向量ε可表示為：

式（2）中，ε為任意單元體的應(yīng)變向量；L為微分算子；B為單元應(yīng)變矩陣。

根據(jù)連續(xù)彈性體的物理方程和式（2），則任意單元體的應(yīng)力向量σ可表示為：

式（3）中，σ為任意單元體的應(yīng)力向量；D為彈性矩陣。

根據(jù)最小位能原理，在體積域V內(nèi)，系統(tǒng)總的載荷向量P可表示為：

式（4）中，K為系統(tǒng)總的剛度矩陣，Ke為單元?jiǎng)偠染仃?；P為系統(tǒng)總的載荷向量。

再利用結(jié)構(gòu)的力和位移邊界條件，可求得整個(gè)有限元系統(tǒng)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移及載荷。

另外，根據(jù)瞬時(shí)最小勢能原理，可導(dǎo)出結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)微分方程：

式（5）中，M、C為系統(tǒng)總的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣。

對于自由振動(dòng)狀態(tài)，外力為零。

1.2 風(fēng)力機(jī)葉片的有限元建模

進(jìn)行復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)的模態(tài)分析主要使用有限元軟件hypermesh進(jìn)行風(fēng)力機(jī)有限元模型的建立、求解、結(jié)果處理。將三維軟件繪制的風(fēng)力機(jī)模型通過中間文件格式igs加載到hypermesh軟件中，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前首先對三維模型進(jìn)行模型處理，通過Topo模式顯示圖形的面信息，并通過快速編輯、面編輯和面設(shè)計(jì)，對導(dǎo)入的三維模型進(jìn)行表面處理，使圖形更加的光順，去除尖角及不平滑過渡區(qū)，保證后續(xù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量更加滿足要求。如圖1所示。

圖1 處理之后的風(fēng)力機(jī)葉片模型Fig .1 Wind turbine blade model after treatment

在完成網(wǎng)格劃分之后，利用hypermesh自帶的optistruct模塊進(jìn)行復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)的模態(tài)求解，optistruct是一個(gè)效率極高、精確獨(dú)立的有限元求解器,支持在多cpu處理計(jì)算機(jī)上進(jìn)行并行運(yùn)算。該求解器涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)的有限元類型，可用于進(jìn)行線性靜態(tài)分析、模態(tài)分析、慣性釋放、頻率響應(yīng)分析和屈曲分析。在進(jìn)行求解之前需要定義復(fù)合材料的屬性，目前風(fēng)力機(jī)中常用的復(fù)合材料主要有玻璃纖維、碳纖維增強(qiáng)材料、石墨環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(參數(shù)見表1）。本文選擇石墨環(huán)氧樹脂作為風(fēng)力機(jī)的復(fù)合材料。

表1 復(fù)合材料參數(shù)Table 1 Composite material parameters

2 有限元模型下分子結(jié)構(gòu)力學(xué)賦值

玻璃纖維（Fibre glass），是一種性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料，種類繁多，優(yōu)點(diǎn)是絕緣性好、耐熱性強(qiáng)、抗腐蝕性好、機(jī)械強(qiáng)度高，但缺點(diǎn)是性脆，耐磨性較差。它是以葉臘石、石英砂、石灰石、白云石、硼鈣石、硼鎂石六種礦石為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制造成的，其單絲的直徑為幾個(gè)微米到二十幾個(gè)微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的 1/20～1/5 ，每束纖維原絲都由數(shù)百根甚至上千根單絲組成。玻璃纖維通常用作復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料，電絕緣材料和絕熱保溫材料，電路基板等國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。

美國國家航空和航天管理局用橡膠添加劑的樹脂制成具有韌性和防火性能的新型石墨-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。添加液體橡膠能改善環(huán)氧樹脂的抗沖擊能力和防火性能。使用的原料化合物包括：四縮水甘油4,4-二氨基二苯甲烷(TGDDM)或三(羥基苯)甲烷三縮水甘油醚。

該復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片采用玻璃纖維外殼澆筑石墨環(huán)氧樹脂主體進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所以在實(shí)際分析中，應(yīng)分析兩種材料在不同轉(zhuǎn)速、不同均溫、不同日溫差下的老化過程。

轉(zhuǎn)速影響下的抗剪力變化趨勢如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速影響下的抗剪力變化趨勢圖Fig .2 Variation trend of shear force under the influence of

圖2 中，當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片抗剪應(yīng)力小于5.0GPa時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力學(xué)安全性即受到較大程度威脅，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)速達(dá)到10r/min時(shí)，其壽命在10年以上，而當(dāng)其葉片轉(zhuǎn)速達(dá)到40r/min時(shí)，其壽命會(huì)下降到4年以內(nèi)。即在相同老化條件影響下，風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)速對其壽命影響較為顯著，實(shí)際運(yùn)行條件下，風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)速會(huì)被控制在15～20 r/min之內(nèi)，所以，在后續(xù)研究中，以20r/min轉(zhuǎn)速為研究對象，重點(diǎn)考察其他條件對風(fēng)力機(jī)葉片老化過程的影響。

考察環(huán)境日均氣溫對風(fēng)力機(jī)葉片抗剪應(yīng)力降至5GPa時(shí)的時(shí)間影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 環(huán)境均溫對葉片壽命的影響（W=20r/min，X≥5.0GPa）Fig. 3 Effect of environmental average temperature on blade life (W= 20r/min, X ≥ 5.0GPa)

圖3 中，保持風(fēng)力機(jī)葉片抗剪應(yīng)力超過5.0GPa且轉(zhuǎn)速保持在20r/min條件下，其壽命變化呈現(xiàn)出倒U型，在氣溫達(dá)到23.7℃時(shí)，該葉片壽命最長，達(dá)到8.4年，在20～30 ℃時(shí)，其壽命均可保持在8年以上。即該材料的風(fēng)力機(jī)葉片實(shí)現(xiàn)模式，適合暖溫帶亞熱帶地區(qū)，而中國大部分國土面積均處于該地區(qū)，包括華北平原、長江中下游平原、閩越兩廣地區(qū)等。所以該實(shí)現(xiàn)模式在國內(nèi)擁有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

除日均溫度外，中國的廣闊區(qū)域，還面臨著東部地區(qū)日夜溫差較小，西部地區(qū)日夜溫差較大的問題。溫差也會(huì)成為影響葉片壽命的重要因素，考察不同日溫差對葉片壽命的影響，可以得到如圖4所示結(jié)果。

圖4 日夜溫差對葉片壽命的影響結(jié)果（W=20r/min，X≥5.0GPa）Fig. 4 Effect of temperature difference between day and night on blade life (W = 20r/min, X ≥ 5.0GPa)

圖4 中，隨著日夜溫差的增加，葉片壽命急劇下降，且此趨勢隨著環(huán)境日均溫度的下降而有所加劇。即考慮5年的經(jīng)濟(jì)壽命，在環(huán)境均溫為5℃的區(qū)域內(nèi)，環(huán)境日夜溫差不應(yīng)超過6℃，在環(huán)境均溫為15℃的區(qū)域內(nèi)，環(huán)境日夜溫差不應(yīng)超過7℃，在環(huán)境均溫為25℃的區(qū)域內(nèi)，日夜溫差不應(yīng)超過12℃。

綜合上述有限元分析結(jié)果，當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)速為20r/min時(shí)，溫度控制在20～30 ℃時(shí)，其老化過程得到最佳控制，當(dāng)日均溫度控制在16～41 ℃時(shí)，其老化過程限定的葉片壽命可控制在經(jīng)濟(jì)壽命5年以上，所以，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)條件下，環(huán)境日均溫度低于16℃時(shí)，應(yīng)對葉片溫度進(jìn)行溫控處理。隨著轉(zhuǎn)速增加和日夜溫差增加，葉片老化速度會(huì)顯著增加，葉片壽命會(huì)顯著下降。

3 結(jié)果討論

相關(guān)研究中，熱環(huán)境對玻璃纖維-環(huán)氧樹脂材料的老化性能有較顯著影響，如本研究中分析的環(huán)境日均溫度與日夜溫差對材料老化過程的影響。文豪等[1]、謝偉等[2]研究了環(huán)氧樹脂在熱環(huán)境下的分解變化過程。李丹等研究了玻璃纖維在熱環(huán)境下的抗沖擊性能在老化過程中的表現(xiàn)[3]。王國建等研究的玻璃纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在濕熱綜合作用下的老化過程，與本文研究方法類似，研究結(jié)果也類似[4]。周穎等研究的玻璃纖維-聚丙烯材料的老化過程，表現(xiàn)出于本文研究的玻璃纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料表現(xiàn)出類似的熱老化性質(zhì)[5]。付晨陽等[6]則研究了紫外線對玻璃纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)的老化過程影響。

綜上，高溫、低溫、大溫差等環(huán)境條件，對玻璃纖維-環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)葉片的老化過程會(huì)產(chǎn)生直接影響，主要影響模式為加速材料的化學(xué)分解過程，造成物理裂隙節(jié)理等。這些會(huì)影響到玻璃纖維-環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)葉片的使用壽命。

為了緩解該老化過程產(chǎn)生的影響，相關(guān)研究也進(jìn)行了多種試驗(yàn)，綜合本文分析的影響因素，可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）通過改善環(huán)氧樹脂以及玻璃纖維的制備工藝、反應(yīng)配方進(jìn)行抗老化性能改良。如孫越等研究通過端環(huán)氧基改善環(huán)氧樹脂的抗老化性能，使環(huán)氧樹脂本身可以在更高溫度或者更低溫度條件下表現(xiàn)出更優(yōu)的抗老化性能，以延長風(fēng)力機(jī)葉片的壽命[7]。

（2）通過在風(fēng)力機(jī)葉片內(nèi)構(gòu)建循環(huán)管路，使高溫環(huán)境下可以對葉片進(jìn)行主動(dòng)冷卻，或在低溫環(huán)境下可以對葉片進(jìn)行主動(dòng)增溫。該過程使風(fēng)力機(jī)葉片受到外部環(huán)境溫度的影響降到最低，可以使風(fēng)力機(jī)葉片的運(yùn)行溫度控制在其最佳抗老化過程需求的溫度中。如方基永等研究了使用聚酰胺66耐冷卻液對風(fēng)力機(jī)葉片溫度進(jìn)行管理，以延長其壽命[8]。

（3）通過在風(fēng)力機(jī)葉片表面涂刷抗老化涂層的方式對其進(jìn)行抗老化處理。該涂層可以與玻璃纖維外殼內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反應(yīng)，增加其分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對外界環(huán)境的有效隔離，減弱其熱分解過程，減弱紫外線輻射作用，以達(dá)到抗老化的目的。如李波等[9]、郭智臣[10]對風(fēng)力機(jī)葉片表面涂層的研究，該方式技術(shù)成型時(shí)間較早，但在今天仍有較廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)論

影響環(huán)氧樹脂-玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)葉片壽命的因素，包括其本身轉(zhuǎn)速帶來的自重壓彎、風(fēng)力喘振諧振等引起的結(jié)構(gòu)疲勞，該過程可能造成其內(nèi)部節(jié)理發(fā)育，加速其老化過程，影響其壽命；也與風(fēng)力機(jī)葉片的運(yùn)行環(huán)境溫度有關(guān)，如高溫帶來的材料分解、低溫帶來的材料化學(xué)鍵釋放、溫差帶來的內(nèi)部熱脹度變化引起的節(jié)理發(fā)育等；也與紫外線環(huán)境、氧環(huán)境、水環(huán)境等有關(guān)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)速為20r/min時(shí)，溫度控制在20～30 ℃時(shí)，其老化過程得到最佳控制，當(dāng)日均溫度控制在16～41 ℃時(shí)，其老化過程限定的葉片壽命可控制在經(jīng)濟(jì)壽命5年以上，所以，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)條件下，環(huán)境日均溫度低于16℃時(shí)，應(yīng)對葉片溫度進(jìn)行溫控處理。綜上，可以通過優(yōu)化材料分子力學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)、對葉片進(jìn)行主動(dòng)溫控、選擇抗老化表面涂層等進(jìn)行風(fēng)力機(jī)葉片抗老化處理。