碳纤维复合材料(CFRP)在风电叶片中的最佳结构设计

碳纤维复合材料(CFRP)在风电叶片中的最佳结构设计

目录

1.序言..........................................................................1

2.风电叶片用碳纤维更合材料优化设计...........................................2

2.1.背景介绍.................................................................3

2.2.主要研究进展.............................................................3

3.最优设计.......................................................................5

3.1.样品.....................................................................5

3.2.优化问题的公式化........................................................6

3.3.有限元(FEM)分析.........................................................6

3.4.响应曲面法...............................................................7

3.5.遗传算法.................................................................8

3.6.最优结果..................................................................8

4.结束语.........................................................................9

1.序言

随着风电行业进入平价时代，度电成本降低的最有效手段就是不断扩大风

电机组的单机容量，由此也带来风电叶片长度的不断增加。因此，平价时代机

组大型化是风电发展的必然趋势，开发“大型化、轻量化和低成本”叶片是推

动机组度电成本降低的最有效手段。

复合材料由于其优异的力学性能和可设计性被广泛应用于航空航天、汽车

和风电叶片，为实现功率更大、长度更长、重量更轻和成本更低，复合材料成

为风电叶片唯一可选材料。作为决定叶片结构和成本的增强纤维、夹芯材料、

基体树脂和结构胶，其应用和发展趋势对叶片行业未来的发展至关重要，特别

是高性价比材料的技术进步决定了大叶片未来的发展方向。

碳纤维复合材料(CFRP)与传统的金属材料相比，具有重量轻，比刚性-比

强度等优异的特性，目前已经在飞机等零部件中得到广泛应用。近年来，风机

大型化带来的是叶轮直径的大型化，随着风电叶片长度增加、叶轮直径增大，

其结构设计要求越来越高，叶片必须满足刚度要求以抵抗极端负荷；叶片具有

优异耐疲劳特性，在其整个使用寿命期间必须承受疲劳载荷；叶片必须坚硬，

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具有一定强度，以防止在极端载荷下与塔架碰撞；局部刚度也必须足以防止极

端载荷：叶片结构应尽可能轻，以最大程度地降低发电成本。

在全玻纤情况下，随着叶片长度增加，自重载荷占比线性上升，可用于发

电的载荷相应下降。因此在大功率风机应用场景中，碳纤维替代具备的了必要

性。

根据风力发电设施的故障即事故的调查报告，在FI本由于落雷造成的损失

最多，占全体的25.8%。另外，与风车的总停止时间相比，叶片的故障最长，

为了提高风车的利用率，因此，在以前的研究中，给试体设定了额定风速

12.5m/s(额定输出功率10kW)、切出风速25m/s、额定转速200rpm，使用CFRP

夹层叶片(以下称为CFRP制叶片)对最大转速为1000pm的小型风车进行了模拟

雷击实验、脉冲激振试验和弯曲试验，结果表明，即使受到较大的60kA的雷击,

对振动特性和力学特性也几乎没有影响。此外，进行了FEM分析，得到了与各

试验结果良好的一致性，显示了分析模型的合理性。

在本项研究中，我们使用响应曲面方法和遗传算法的优化方法，在最大转

速为1000pm的离心力和风压的规定载荷下，进行了使CFRP制叶片重量最小

化的最佳结构设计。

2.风电叶片用碳纤维复合材料优化设计

2016年10月-2019年4月，美国能源部桑地亚国家实验室的能量效率与

可再生能源办公室(DOE,SandiaNationalLaboratory,简写SNL,OfficeofEnergy

EfficiencyandRenewableEnergy)承担了风电叶片用碳纤维复合材料优化设计

项目。

项目主要目的在于评估具有成本竞争力的风电叶片用碳纤维复合材的商业

化可行性，项目主要针对美国能源部橡树岭国家实验室(DOEOakRidgeNational

Laboratory,简写ORNL)研发的纺织品级低成本祓纤维与商业化的Zoltek卓尔

泰克PX35碳纤维综合性能和成本对比。

关于ZoltekPX35碳纤维可以参见本公众号前期文章《一文解析日本东丽

-Zoltek公司PANEX35碳纤维的特性及应用》。项目最后通过碳纤维复合材料

风电叶片结构的优化设计评估了实际应用的可行性。任务承担单位除了SNL、

ORNL以外，还有蒙大拿州立大学Montanastateuniversity(MSU)。本文将对该

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项目主要进展进行综述分析。

2.1.背景介绍

对于碳纤维复合材料而言，风电叶片领域与航空航天领域存在显著差异，

因为航空航天用碳纤维复合材料主要受性能驱动，而对于风电叶片领域，更加

关注的是原材料的成本。

对于风电叶片生产商而言，往往是基于市场商品化原材料来开展结构设计,

尤其是对于具有成本优势的大丝束碳纤维。

本项目使用低成本碳纤维为ORNL低成本研发中心生产的纺织品级碳纤维,

同时利用MSU大学检测条件针对力学性能进行分析，最后由SNL进行风电叶片

优化设计（图1）。

ORNL低成本碳纤维

研发中心

原丝搂纤维叶片设计叶片成型

碳纤维风电叶片成本分析

纤维风电叶片成型与优化设计

基础结构设计基于碳纤维结构优化设计

卜必卜之中科院宁波材料所特汴乎彳丝就都

10:72733858

图1项目主要分工内容

2.2.主要研究进展

对于50k规格大丝束低成本碳纤维（图2）,其总价为$18.11/kg,其中占成

本最高为原材料，占比45%。通过采用纺织品级PAN纤维作为前驱体，以及实

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现规模化生产后获得LCCF成本可下降到$11.19/kg.

sA24

sr23

-

xA22

r二

21

20--------4000MPa

(二

£19

、8

s1二

)

174300MPa

s“16

。

。15--------4500MPa

sA

r14

U.sA

Ur13--------4900MPa

xA4LCCF-IM

r2

15000MPa

1

SA1

T1G3100MPa

122900MPa

8000220240260280300

Modulus(GPa)中科院宁斓料所眺群翱缎

图2大丝束低成本成本组成及分析

进一步通过控制纤维丝束之间间距，有效降低预氧化过程时间，大丝束碳

纤维成本可进一步下降到$7.82/kg。使用ORNL开发大丝束低成本碳纤维与已商

业化ZoltekPX35复合材料性能对比如表1所示，

表1碳纤维复合材料力学性能对比

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MaterialCompositeLayupVFE[GPa]UTS%,ucs%,min

Form【％】0.1-0.3%[MPa]max[MPa]

ORNLT20Aligned(0)5and(0)10501269560.74-869-0.69

(Taekwang)strand(4)(63)(0.05)(46)(0.04)

ORNLK20Aligned(0)sand(0)10471129900.84-863-0.77

(Kaltex)strand(6)(49)(0.06)(108)(0.44)

ZoltekPX35Aligned5.1tows/cm51119、g!臂掰w

strand襁驴「附切二

进一步通过在风电叶片设计中针对原材料性能进行优化，针对成本而言

ORNL研发碳纤维成本可以控制在$8.38-11.01/kg,而商品化产品为$16.44/kg。

经过测试表明，材料综合性能相差不明显，如在拉伸强度上ORNL开发碳

纤维略高于商品化碳纤维。

MaterialVfE[GPa]UTS[MPa]UCS[MPa]Cost[$/kg]

Industrybaseline

0.68157.62424.1-1645.4$16.44

carbonfiberpultrusion

Heavy-towcarbonfiber啸当笔翔嘘

0.68160.6院彳初穿出而

pultrusion15''2M

图3风电叶片结构优化设计

3.最优设计

3.1.样品

实验中使用的CFRP制叶片如图4所示，采用平纹CF布(东邦Tenax®)和

环氧树脂，芯材使用聚氨酯，采用VaRTM成形的翼长2168mm、最大翼弦长

483mm、叶片中央翼厚45mm的三明治结构。CFRP层的纤维体积含有率为

60%,表面层的层叠结构因位置而异，

①的位置：［3K((土

45)/(0/90)/(0/90)/12K((±45)/(0/90)/(0/90)/(±45))］,

②的位置：［3K((±45)/(0/90)/(0/90)/12K((±45)］,

③的位置：［3K((±45)/(0/90)/(0/90))］。

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Wfi：mm

图4CFRP夹层风力涡轮机叶片

3.2.优化问题的公式化

CFRP制叶片的重量最小化问题如式(1)所示进行了公式化。在本研究中，

[3K((090)/(±45)/(±45)/(0/90))]的伪各向同性层叠为1组(0mm),从叶片的前

端部到根部的5处CFRP的板厚分别为xl〜x5(如图5所示)。另外，CFRP制叶

片的安全率与实验中使用的CFRP制叶片相同，容许应力为243MPao

Findx={.ex/}

Minimizetheweight,W

tf243>a[A/Pa]⑴

Subjectto\

[0.8&x.xA46A[mm]

图5从叶片的前端部到根部的5处CFRP的板厚分别为xl-x5

3.3.有限元(FEM)分析

使用通用有限元法程序ANSYSVerl5.0进行有限元分析工负荷参考

JISC1400-2的负荷槽E,以本次CFRP制叶片的最大转速的设计值1000pm旋转

时的离心力施加负荷。并且，参考风压分布图，在CFRP制叶片的一侧表面加载

风速为50m/s的分布载荷。

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使用8节点结构实体(SOLID185)作为元素，固定条件是完全约束了CFRP

叶片安装部的节点。节点数为23848,元素数为20781。

如表2所示用于分析的CFRP的材料常数，x轴和y轴表示面内方向，z轴

显示面外方向，E表示杨氏模量，G表示剪切模量，v表示泊松比，F表示拉伸

强度。另外，聚氨酯芯的材料常数使用目录值，杨氏模量E为0.025GPa,泊松

比为0.25。CFRP的破损法则使用最大应力理论。

Ex-EyGPa55.4

EzGPa8.80

Gx•vrGPa3.44

Gvz-GzxGPa2.66

vxv0.06

vvz-vzx0.32

Fx=F•r\，MPa792

Fxx)MPa51.3

表2CFRP的材料特性

3.4,响应曲面法

响应曲面法(ResponseSurfaceMethod,RSM)是用于求对输入的响应的近似

函数的方法，其各项系数由最小二乘法决定。对于设计变量(1〜5)的输入，本问

题的响应为CFRP的重量和产生应力。

计算点为随机选择的1500点，近似函数以一般使用的2次多项式为基础。

为了提高近似精度，将CFRP制叶片分成4部分(AreaA〜D),在各个领域制作了

5个变量2次多项式的近似函数。响应曲面法产生的应力、CFRP重量的近似值

和FEM分析结果的误差如表3所示，两者的误差均低于8.4%。

StressCFRP

AreaAAreaBAreaCAreaDweight

3.0%3.2%7.8%8.4%0.0%

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表3RSM和FEM结果N间的误差

3.5.遗传算法

遗传算法(GeneticAlgorithm,GA)是通过对生物进化的机理进行工程建模来

进行有效的最佳解的探索的方法。在本研究中，将群体的大小设为30,交叉率

设为60%,突变概率设为7