風力機葉片的結構設計、制造與驗證技術概述

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1、China Aerodynamics Research Development Center 1 風力機葉片的結構設計、制造與 驗證技術概述 第八部分 China Aerodynamics Research Development Center 2 目 錄 一、前言 二、風力機葉片結構設計概述 三、風力機葉片結構材料 四、風力機葉片成型工藝概述 五、風力機葉片結構的性能驗證概述 六、結束語 China Aerodynamics Research Development Center 3 一、前 言 “ 一流企業(yè)出標準 ， 二流企業(yè)搞設計 ， 三流企 業(yè)搞生產 ” 這個觀點已是眾所周知 ， 然而

2、我們知道 我們的風電標準是以借鑒國外標準為主 ， 缺少研究 支撐 ， 未形成真正自主的標準； 50多家葉片企業(yè)技 術基本都是引進的 ， 現在在探索性做些自主設計的 ， 所采用的軟件也主要是國外的；我國的風電葉片制 造企業(yè)基本是 “ 加工廠 ” 級的 。 China Aerodynamics Research Development Center 4 所以 ， 盡管我國的風電裝機容量增速很快 ， 風 電設備產能很高 ， 但我們萬萬不能盲目樂觀 ， 我們 要做強 、 做大 、 做長我們的風電產業(yè) ， 真正使綠色 的風能很好地造福人民 、 改善我國的能源結構 、 解 決環(huán)境污染問題等我們風電屆的同仁

3、們需倍加努力 ， 認真研究自主設計技術開發(fā)的規(guī)律 ， 處理好基礎研 究 、 應用研究 、 技術開發(fā) 、 生產應用等各環(huán)節(jié)的關 系 ， 力爭在較短的時間內建立起我國風電產業(yè)發(fā)展 所急需的自主的技術支撐體系 。 一、前 言 China Aerodynamics Research Development Center 5 這里著力談一下風力機葉片的結構設計、制造與 驗證技術。 風力發(fā)電設備的自主設計、制造包括葉片結構的 自主設計和制造。那么葉片結構的自主設計、制造與 驗證需要哪些技術呢？支撐葉片結構設計的基礎數據 包括哪些？葉片結構性能的驗證平臺有何價值？葉片 實際運行過程中載荷譜的采集有無必要？我

4、們在葉片 結構自主設計方面已具備哪些能力？未來我們還需做 哪些工作？ 以下分結構設計、結構材料、成型工藝、性能驗 證等四個方面逐一進行介紹。 一、前 言 China Aerodynamics Research Development Center 6 2.1 葉片結構設計結果的表述方法 2.2 確定葉片結構方案的根本原則 2.3 葉片結構設計的條件 2.4 葉片結構設計的步驟 二、風力機葉片結構設計概述 China Aerodynamics Research Development Center 7 2.1、葉片結構設計結果的表述方法 一般我們可以把葉片設計分為氣動設計、結構設計、 工藝設計和

5、防雷電設計等。 從葉片制造商的角度看，葉片氣動設計的最終結果就 是給出葉片的外形數據，具體通常是給出沿葉片展向若干 剖面的翼形數據、扭轉角、扭心坐標等。依此，葉片制造 商即基本具備了開葉片上下蒙皮模具的條件。 從葉片結構設計人員的角度看，葉片氣動設計除須給 出足以準確描述葉片外形的足夠的葉剖面的翼形數據、扭 轉角、扭心坐標之外，還應給出氣動載荷數據。 China Aerodynamics Research Development Center 8 2.1、葉片結構設計結果的表述方法 從風力機總體設計的角度看，葉片的氣動設計須給 出風力機的整體性能預測數據，包括風能利用系數，扭矩 系數，風輪軸向

6、推力系數，葉尖速比，風能利用系數與尖 速比的關系曲線，不同風速風輪扭矩與風輪轉速的關系曲 線，輸出功率與風速的關系曲線，年輸出能量與年平均風 速的關系曲線，變槳控制要求等等。 可見葉片的氣動設計結果對不同的人來講其關心的 內容是有差異的。 China Aerodynamics Research Development Center 9 2.1、葉片結構設計結果的表述方法 那么葉片的結構設計結果如何表述呢？ 葉片結構設計的結果基本可通過葉片剖面結構圖、槳 根連接方案圖、各部分的布層鋪設方案等表述清楚。 在拿到以上結構設計數據、圖紙后葉片制造商就可以 制造葉片了。 當然隱含在以上數據中的設計結果還

7、包括：葉片動力 學特性，包括自振頻率、轉動慣量、質量分布、總重、剛 度特性等，這是總體設計人員關心的數據。 China Aerodynamics Research Development Center 10 2.2 確定葉片結構方案的根本原則 八個字 “ 安全可靠，經濟合理 ” 。 China Aerodynamics Research Development Center 11 2.3 葉片結構設計的條件 氣動外形數據，氣動載荷數據，材料性能數據 China Aerodynamics Research Development Center 12 2.4 葉片結構設計的步驟 葉片結構布置方案的

8、選擇與確定（無梁結構、 C形梁 -蒙 皮結構、 D形梁 -蒙皮結構、 O形梁 -蒙皮結構、工字形梁 -蒙 皮結構 ） 工藝與材料選擇（必要時需進行材料性能實測） 荷載計算（慣性力和重力是應考慮的載荷；氣動載荷、 運動載荷復核，其它載荷如冰雪載荷的分析） 基于靜動強度、疲勞強度、剛度、穩(wěn)定性、可靠性的要 求進行結構參數的優(yōu)化設計計算 繪制結構剖面圖、槳根連接方案圖，列出各部分的布層 鋪設表 China Aerodynamics Research Development Center 13 3.1 歷史沿革與未來趨勢 3.2 復合材料的定義、特點、命名及分類 3.3 復合材料原材料 3.4 復合材

9、料成型工藝概述 3.5 復合材料的歷史沿革 3.6 復合材料的工程應用與發(fā)展趨勢 3.7 復合材料葉片的材料選擇 三、風力機葉片結構材料 China Aerodynamics Research Development Center 14 風力機的發(fā)展已有一個多世紀的歷史 1890年在丹 麥建成了世界上第一個現代型的風力發(fā)電裝置 ）， 在這一個多世紀里，材料工業(yè)也有了極大的發(fā)展，水 平軸風力機的葉片用材料根據風力機自身的發(fā)展要求 實際上也在不斷發(fā)展著。 木、布、金屬（鋼、鋁等） GFRP、 GFRP/CFRP、 木增強復合材料、智能復合材料 3.1 歷史沿革與未來趨勢 China Aerodyn

10、amics Research Development Center 15 木制葉片及布蒙皮葉片 近代的微 、 小型風力發(fā)電機有采用木制葉片 的 ， 但木制葉片不易做成扭曲型 。 大 、 中型 風力發(fā)電機很少用木制葉片 ， 采用木制葉片 的也是用強度很好的整體木方做葉片縱梁來 承擔葉片在工作時所必須承擔的主要載荷 。 與硬鋁等金屬材料相比 ,樺木 、 山毛櫸等 木材不僅具有重量輕 、 強度高等特點 ,還可 以有效地降低雷達波的反射 ,因此 ,小型無人 機螺旋槳也多采用木質材料 。 對木質材料的 基本要求是 :木質均勻 、 強度好和變形小 。 松木 、 櫸木 、 樺木和精制層板常作為螺旋槳 材料

11、。 3.1 歷史沿革與未來趨勢 China Aerodynamics Research Development Center 16 金屬葉片 今天我們仍可看到金屬制直升機螺旋槳、氣墊船螺旋槳、風扇 葉片、船用螺旋槳，因此不難理解也有用金屬做的風力機葉片。 實際上由于合金鋼其價格低廉，易加工成細長的形狀，因此 常采用鋼管或 D型型鋼做葉片縱梁，鋼板做肋梁，合金鋼也因此一 度被認為是首選的風力機葉片材料。 然而，它的密度太大，疲勞特性差，易腐蝕，加工成扭曲形 狀成本高，因而慢慢被別的材料所替代。 鋁合金的密度為鋼鐵的 1/3，采用擠拉工藝易加工出等弦長的 葉片，因其可連續(xù)生產、效率高，又可按設計要

12、求的扭曲進行扭 曲加工，葉根與輪轂連接的軸及法蘭可通過焊接或螺栓連接來實 現，因此也有較好的工業(yè)價值。但變弦長的葉片沒辦法擠拉出來， 因此其是以犧牲空氣動力效率為前提的。這也限定了其只能在小 風力機上有一定應用。 3.1 歷史沿革與未來趨勢 China Aerodynamics Research Development Center 17 GFRP葉片 GFRP即 glass fiber reinforced plastic，我國俗 稱 “ 玻璃鋼 ” 。大家知道這是當前大型風力機葉片的主體 材料。 GFRP/CFRP葉片 CFRP即 carbon fiber reinforced plast

13、ic, GFRP/CFRP即碳纖維和玻璃纖維混雜復合材料 一般認為較大型（如 42米以上）的葉片采用 CFRP或 CF 與 GF混雜的復合材料更合理。 3.1 歷史沿革與未來趨勢 China Aerodynamics Research Development Center 18 未來的葉片會是采用納米碳管（ NCTs)改性的復合材料葉片嗎？ 控制葉片壽命的究竟是哪一個因素？是層間韌性？是 ? 我們有理由相信未來的葉片結構材料還將不斷發(fā)展。 由于多數從事風力機設計的同志并沒有學過復合材料方面的 課程，因此下面將介紹一點復合材料的 ABC，以更好地理解為 什么選擇復合材料。 3.1 歷史沿革與未來

14、趨勢 China Aerodynamics Research Development Center 19 3.2 復合材料的定義、特點、命名及分類 1、復合材料的定義： 1994年出版的由師昌緒主編的 材料大辭 典 對復合材料的定義如下：復合材料是由有機高 分子、無機非金屬材料或金屬等幾類不同材料通過 復合工藝組合而成的新型材料，它既保留原組分材 料的主要特色，又通過復合效應獲得原組分所不具 備的性能?？梢酝ㄟ^材料設計使各組分的性能互相 補充并彼此關聯，從而獲得新的優(yōu)越性能，與一般 材料的簡單混合有本質的區(qū)別。 China Aerodynamics Research Development C

15、enter 20 2、復合材料的特點： 與傳統(tǒng)材料相比，復合材料有下述特點： 性能可設計 材料和結構同一 具備復合效應 材料性能對復合工藝依賴性強 3.2 復合材料的定義、特點、命名及分類 China Aerodynamics Research Development Center 21 復合材料的性能可設計性是材料科學進展 的一大成果，復合材料的力學、機械及熱、聲、 光、電、磁、防腐、抗老化等物理、化學性能 都可按制件的使用要求和環(huán)境條件要求，通過 組分材料的選擇和匹配以及界面控制等材料設 計手段，最大限度地達到預期目的，以滿足工 程設備的使用性能。 傳統(tǒng)的單一材料，如木材、金屬、玻璃、 陶

16、瓷、塑料等只能被選用，不能被設計（指宏 觀材料設計，不含分子設計）。 性能可設計 China Aerodynamics Research Development Center 22 復合材料尤其是纖維增強復合材料，與其說 是材料倒不如說是結構更為恰當。傳統(tǒng)材料的構 件成型是經過對材料的再加工，在加工過程中材 料不發(fā)生組分和化學的變化，而復合材料結構與 材料是同時形成的，它由組成復合材料的組分材 料在復合成材料的同時也就形成了結構。由于復 合材料的這一特點，使之結構的整體性好，可大 幅度地減少零部件和連接件的數量，從而縮短加 工周期，降低成本，提高構件的可靠性。 材料和結構同一 China Ae

17、rodynamics Research Development Center 23 具備復合效應 復合材料是由各組分材料經過復合工藝形 成的，但它并不是幾種材料簡單的混合，而是 按復合效應形成新的性能，這種復合效應是復 合材料僅有的。 復合效應包括混合效應和協(xié)同效應?；旌?效應也稱作平均效應，是組分材料性能取長補 短共同作用的結果；協(xié)同效應形式多樣，如增 強相與基體之間的界面效應、混雜復合材料的 混雜效應、層合材料的層合效應及材料強度的 尺寸效應。 混雜復合材料 的應力 -應變曲線的直線部分所對應的最大應變，已超過混 雜復合材料中具有低延伸率的纖維的破壞應變。所謂 “ 混雜 ” 有兩層含義：

18、一是指兩種或多種纖維混合在一起；二是指層板的各層采用不同的纖維。 China Aerodynamics Research Development Center 24 材料性能對復合工藝依賴性強 復合材料結構在成型的過程中有組分材料的 物理和化學的變化，過程非常復雜，因此構件的 性能對工藝方法、工藝參數、工藝過程等依賴性 較大，同時由于在成型過程中很難準確地控制工 藝參數，所以一般來說復合材料構件的性能分散 性也是比較大的。 China Aerodynamics Research Development Center 25 3 、復合材料的優(yōu)缺點 與傳統(tǒng)材料相比，復合材料作為結構材料在 性能上有

19、下述優(yōu)點： 比強度、比模量大 耐疲勞性能好 阻尼減振性好 破損安全性高 耐腐性能優(yōu)越 China Aerodynamics Research Development Center 26 比強度、比模量大 比強度 = 強度 /密度 MPa /（ g/cm3） 比模量 = 模量 /密度 GPa /（ g/cm3） China Aerodynamics Research Development Center 27 China Aerodynamics Research Development Center 28 比強度的物理意義 比強度的量綱是長度，其物理意義可解釋為： 材料在自重作用下能自然垂下的

20、最大長度。 熱處理預應力鋼筋的比強度是 18km 烏冬面的比強度是 4.3m 豆腐的比強度推測約為 10cm 碳纖維 T700的比強度大于 300km China Aerodynamics Research Development Center 29 疲勞性能好 復合材料的抗疲勞性能良好。一般金屬的 疲勞強度為抗拉強度的 40 50%，而某些復合材 料可高達 70 80%。復合材料的疲勞斷裂是從基 體開始，逐漸擴展到纖維和基體的界面上，沒有 突發(fā)性的變化。因此，復合材料在破壞前有預兆， 可以檢查和補救。纖維復合材料還具有較好的抗 聲振疲勞性能。用復合材料制成的直升飛機旋翼， 其疲勞壽命比用金屬

21、的長數倍。 China Aerodynamics Research Development Center 30 阻尼減振性能好 復合材料的減振性能良好。纖維復合材料的 纖維和基體界面的阻尼較大，因此具有較好的減 振性能。用同形狀和同大小的兩種粱分別作振動 試驗，碳纖維復合材料粱的振動衰減時間比輕金 屬粱要短得多。 China Aerodynamics Research Development Center 31 破損安全性好 復合材料的安全性好。在纖維增強復合材料的 基體中有成千上萬根獨立的纖維。當用這種材料制 成的構件超載，并有少量纖維斷裂時，載荷會迅速 重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此

22、整個構件 不至于在短時間內喪失承載能力。 China Aerodynamics Research Development Center 32 良好的高溫性能 目前： 聚合物基復合材料的最高耐溫上限為 350 C； 金屬基復合材料按不同的基體性能 ， 使用溫 度在 350 1100 C范圍內變動； 陶瓷基復合材料的使用溫度可達 1400C； 碳 /碳復合材料的使用溫度最高可達 2800C。 China Aerodynamics Research Development Center 33 缺點 材料各向異性嚴重 材料性能分散性較大，質量控制和檢測比較困難 材料成本較高 復合材料韌性較差，機械連接

23、較困難 China Aerodynamics Research Development Center 34 4 、復合材料的命名和分類 命名方法： 將增強相或分散相材料放在前，基體相或連 續(xù)相材料放在后，之后再綴以“復合材料”。 如：由碳纖維和環(huán)氧樹脂制成的復合材料稱為 “碳纖維環(huán)氧復合材料”，或寫為“碳纖維環(huán) 氧復合材料”，甚至簡記為“碳環(huán)氧”，余者 類推。 China Aerodynamics Research Development Center 35 按使用性能分：結構復合材料 、 功能復合材料 、 結構 / 功能一體化復合材料 按基體分：樹脂基復合材料 、 金屬基復合材料 、 無機非

24、金屬基復合材料 按增強相形態(tài)分：連續(xù)纖維增強復合材料 ， 纖維 織物 、 編織體增強復合材料 ， 片狀材料增強復合材 料 ， 短纖維或晶須增強復合材料 ， 顆粒增強復合材 料 按增強纖維類型分：碳纖維復合材料 ， 玻璃纖維 復合材料 ， 有機纖維復合材料 ， 陶瓷纖維復合材料 復合材料通常有以下幾種分類方法 China Aerodynamics Research Development Center 36 增 強 體 (相 ) 纖維 顆粒 金屬基體 增強纖維 有機物基體 增強纖維 陶瓷基體 增強纖維 碳化物 氮化物 硼化物 氧化物 碳纖維，硼纖維，碳化硅纖維， 氧化鋁纖維，金屬絲 玻璃纖維，碳

25、纖維 , Kevlar纖維 碳纖維，碳化硅纖維， 氧化鋁及其它陶瓷纖維 SiC, HfC, WC, MoC, TiC, ThC2, ErC, CrC BN, Si3N4, AlN, ErN, TiN, TaN TiB 2, MoB, WB,CrB2, TaB, HfB ZrO 2, ThO2, Al2O3.,HfO2, CrO2 3.3 復合材料原材料 、增強材料 China Aerodynamics Research Development Center 37 China Aerodynamics Research Development Center 38 碳纖維 按碳含量分 按性能分 按

26、制備 原材料分 按模量 分 按強度 分 碳纖維（含 C95%） 石墨纖維（含 C99%） 中模量型 (220300GPa) 高模量型 (300400GPa) 超高模量型 (400GPa) 高強型 (2.5GPa) PAN系（原料為丙烯腈及共聚單體） 瀝青系（原料為焦油或瀝青） 粘膠系（原料為纖維素） 碳纖維 由有機纖維或低分子烴氣體原料加熱至 1500 C形 成的纖維狀碳材料，其碳含量為 90%以上。它是不完全的石墨結 晶沿纖維軸向排列的物質，呈現亂層結構。當加熱至 2500 C時可 制得碳含量高于 99%的石墨纖維。 China Aerodynamics Research Developme

27、nt Center 39 國外民機結構用碳纖維特點分析 纖維類型 標準型 CF 中模高強型 CF S型 CF T 300 T800H T800S IM600 T700S 3/6/12K 6/12K 24K 12/24K 12K 抗拉模量 /GPa 230 294 294 285 230 抗拉強度 /MPa 3530 5490 5880 5790 4900 斷裂伸長 1.5 1.9 2.0 2.0 2.1 線密度 g/1000M 198/396/800 223/245 1032 800 密度 g/cm3 1.76 1.81 1.80 1.80 1.80 直徑 m 7 7 5 5 7 China

28、Aerodynamics Research Development Center 40 China Aerodynamics Research Development Center 41 中復神鷹碳纖維有限責任公司碳纖維產品性能 型號 規(guī)格 強度 GPa 模量 GPa 伸長率 % ST250A 12K 3.0-3.5 220-240 1.5 ST300B 1K， 3K 3.5-4.0 220-240 1.5 ST300B 12K 3.5-4.0 220-240 1.5 進口 T700碳纖維最近約 450元 /KG China Aerodynamics Research Development

29、Center 42 基 體 聚合物基體 金屬基體 陶瓷基體 不飽和聚酯樹脂，環(huán)氧樹脂，酚 醛樹脂，乙烯基樹脂，熱塑性樹 脂，高性能樹脂等 鋁及鋁合金，鎂及鎂合金 鈦合金，鎳，鈷，銅，鉛，鋅等 氧化鋁，氧化鋯，氮化硅，氮化硼，氮化鋁，碳化硅，硼化物等 2、基體材料 China Aerodynamics Research Development Center 43 熱固性樹脂 在初受熱時變軟，可以塑性加工成一定的形狀，隨著加熱的進 行或固化劑的加入，會逐漸成凝膠或固化成型。再加熱不會軟化， 不熔、不融。 其高分子聚合物屬于三維體型網狀結構。 常用的熱固性樹脂有：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂、

30、 乙烯基酯、聚酰亞胺樹脂、雙馬來酰亞胺（ BMI）樹脂等等 聚合物基體 China Aerodynamics Research Development Center 44 熱塑性樹脂 加熱到一定溫度可軟化甚至流動，可塑性加工成各種形狀。冷 卻后變硬，再加熱可軟化。 其高分子聚合物屬于線型或支鏈型分子結構。 常用的熱塑性樹脂：聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺（尼龍）、聚碳酸 脂等。 China Aerodynamics Research Development Center 45 3.4、復合材料成型工藝概述 1、聚合物復合材料工藝 2、金屬基復合材料工藝 3、陶瓷基復合材料工藝 China Aerod

31、ynamics Research Development Center 46 1、 聚合物復合材料（ PMC）制備工藝 目前聚合物基復合材料的成型方法不少于 20多種，如： （ 1）手糊成型工藝 -濕法鋪層成型法； （ 2）噴射成型工藝； （ 3）樹脂傳遞模塑成型技術（ RTM技術）； （ 4）袋壓法（壓力袋法）成型； （ 5）真空袋壓成型； （ 6）熱壓罐成型技術； （ 7）液壓釜法成型技術； （ 8）熱膨脹模塑法成型技術； （ 9）夾層結構成型技術； （ 10）模壓料生產工藝； China Aerodynamics Research Development Center 47 （ 11）

32、ZMC模壓料注射技術； （ 12）模壓成型工藝； （ 13）層合板生產技術； （ 14）卷制管成型技術； （ 15）纖維纏繞制品成型技術； （ 16）連續(xù)制板生產工藝； （ 17）澆鑄成型技術； （ 18）拉擠成型工藝； （ 19）連續(xù)纏繞制管工藝； （ 20）編織復合材料制造技術； （ 21）熱塑性片狀模塑料制造技術及冷模沖壓成型工藝； （ 22）注射成型工藝； （ 23）擠出成型工藝； （ 24）離心澆鑄制管成型工藝； （ 25）其它成型技術。 China Aerodynamics Research Development Center 48 聚合物復合材料的制備工藝 （ 1）手糊成型 用

33、于制備熱固性樹脂復合材料的一種最原始、最簡單 的成型工藝。用手工將增強材料的紗或氈鋪放在模具中， 通過澆、刷或噴的方法加上樹脂； 紗或氈也可在鋪放前用 樹脂浸漬，用橡皮輥或涂刷的方法趕出其中的空氣。如此 反復，直到所需厚度。固化通常在常溫、常壓下進行，也 可適當加熱，或常溫時加入催化劑或促進劑以加快固化。 China Aerodynamics Research Development Center 49 （ 2）壓力成型： a.袋壓成型： 真空袋成型； 壓力袋成型 ； 袋壓成型是最早最廣泛用于 預浸料成型 的工藝之一。 將鋪層鋪放在模具中，依次鋪上脫膜布、吸膠層、隔離 膜袋膜等，在 熱壓下固化

34、 。經過所需的固化周期后，材 料形成具有一定結構形狀的構件 。 China Aerodynamics Research Development Center 50 b.熱壓罐成型 工藝過程：鋪層被裝袋并抽真空以排除包埋的空氣或其它揮 發(fā)物， 在真空條件下在熱壓罐中加熱、加壓固化 。固化壓力 通常在 0.35 - 0.7MPa。 1- 橡皮囊； 2-成型套； 3-模具； 4-毛坯； 5-弓形夾； 6-熱壓罐； 7-底板； China Aerodynamics Research Development Center 51 （ 3） 纏繞成型： 纏繞成型是一種將浸漬了樹脂的紗或 絲束纏繞在回轉芯模上

35、、常壓下在室溫或較高溫度下固 化成型的一種復合材料制造工藝。 China Aerodynamics Research Development Center 52 （ 4） 拉擠成型： 是高效率生產連 續(xù)、恒定截面復 合型材的一種自 動化工藝技術。 其特點是：連續(xù) 纖維浸漬樹脂后， 通過具有一定截 面形狀的模具成 型并固化。 China Aerodynamics Research Development Center 53 （ 5）模壓成型 ： 對模模壓成型是最普通的模壓 成型技術。它一般分為三類：坯料模壓、片狀 模塑料模壓和塊狀塑料模壓。 China Aerodynamics Research

36、 Development Center 54 （ 6）擠出成型 是熱塑性塑料主要加工方法之一。干燥的 熱塑性塑料（粉料或粒料）從料斗進入擠出機 加熱料筒，料筒中螺桿旋轉，物料沿螺槽前移。 前移過程中物料受機械剪切作用摩擦熱和料筒 的加熱逐漸熔融成熔體，熔體受螺桿軸向推力 的作用通過機頭和口模，獲得與口模形狀相似 的連續(xù)體。 China Aerodynamics Research Development Center 55 擠出成型工藝示意圖 China Aerodynamics Research Development Center 56 （ 7）注射成型 注射成型是熱塑性塑料制品的常用成型方

37、法， 多用于短纖維增強塑料制品生產。增強纖維主要 為短切纖維，纖維含量通常有 20 、 30%兩種。 China Aerodynamics Research Development Center 57 （ 8）噴射成型 這是一種半機械化成型技術。它是將混有引 發(fā)劑 的樹脂和混有促進劑的樹脂分別從噴槍兩側 噴出或混合后噴出，同時將纖維用切斷器切斷并 從噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻地沉積在模具 上，待材料在模具上沉積一定厚度后，用手輥壓 實，除去氣泡并使纖維浸透樹脂，最后固化成制 品。 China Aerodynamics Research Development Center 58 噴射成型原理

38、圖 China Aerodynamics Research Development Center 59 （ 9）樹脂傳遞成型：先將增強材料置于模具中形成 一定形狀，再將樹脂注射進入模具、浸漬并固化 的一種復合材料生產工藝，是 FRP（纖維增強塑 料） 的主要成型工藝之一。 特點是：污染小，為閉模操作系統(tǒng)，另外在制品 可設計性、可方向性增強、制 品綜合性能方面優(yōu) 于 SMC、 BMC。 China Aerodynamics Research Development Center 60 樹脂傳遞成型示意圖 SCRIMAP: Seeman Composite Infusion Molding Pro

39、cess RIFT: Resin Infusion under Flexible Tooling VARTM: Vacuum Aided Resin Transfer Molding China Aerodynamics Research Development Center 61 China Aerodynamics Research Development Center 62 3.5 復合材料的歷史沿革 近代復合材料技術是 20世紀 40年代興起的一門新興技術，時 至今日業(yè)已發(fā)展成為一套較為完整的體系。 但廣義地講復合材料其出現則很早，在距今 7000年前的西安 半坡村遺址中曾發(fā)現用 草拌

40、泥做成的墻壁和磚坯 ，用草拌泥做成 的建筑材料性能既優(yōu)于草，又優(yōu)于泥，這是人類最早使用復合材 料的先例。 近代復合材料的發(fā)展首先發(fā)展的軟基體，然后發(fā)展的是較硬 的和硬的基體，即從樹脂到金屬到陶瓷基體?，F在復合材料有三 大類：樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料。 China Aerodynamics Research Development Center 63 第一章 緒論 樹脂基復合材料（ Resin Matrix Composite)的發(fā)展簡史 1932:樹脂基復合材料在美國出現 1940年以手糊成型制成了玻璃纖維增強聚酯的 軍用飛機的 雷達罩 1950年真空袋和壓力袋成型工藝研

41、究成功，制成 直升機螺 旋槳 1961年片狀模塑料（ SMC）在法國問世 拉擠成型工藝的研究始于 50年代， 60年代中期實現了連續(xù) 化生產，現在發(fā)展很快。 China Aerodynamics Research Development Center 64 第一章 緒論 樹脂基復合材料的發(fā)展簡史 70年代開發(fā)出了碳纖維、硼纖維、芳綸纖維（如 Kevlar纖 維）、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能 增強材料。 采用高性能纖維為增強體，高性能樹脂、金屬或陶瓷為基 體制成的復合材料稱為先進復合材料（ Advanced composite materials,簡稱 ACM） 80年代后

42、至今是現代復合材料的成熟應用時期。 China Aerodynamics Research Development Center 65 幾件值得一提的成果 里爾 -芳 2100號商用 8座飛機，重僅 567kg,全部采用 CFRP制成 哥倫比亞號航天飛機大量采用 ACM 波音 767大型客機上使用 ACM作為主承力構件 空客 A380采用了 25%的復合材料 波音 787采用 50%的復合材料 空客 A350將采用 52%的復合材料 China Aerodynamics Research Development Center 66 里爾 -芳 2100號 人類第一架全復合材料飛機 China

43、Aerodynamics Research Development Center 67 復合材料在中國的發(fā)展 起始于 1958年。用手糊工藝研制了 玻璃鋼艇 ，以層壓和卷 制工藝研制玻璃鋼板、管和火箭彈 1962年制造了 玻璃鋼直升機螺旋槳和風洞葉片 1970年用玻璃鋼蜂窩夾層結構制造了一座 直徑 44m的雷達 罩 。 復合材料的年產量： 1981年為 1.5萬噸 1986年達到 6.5萬噸 1995年已達到 16.5萬噸 2008年 玻璃 纖維（ GF） 220萬噸；不飽和聚酯樹脂 （ UPR） 125萬噸；熱固性 玻璃 鋼（ FRsP） 179萬噸；熱塑性 玻璃 鋼（ FRTP） 56萬噸

44、；覆銅板（ ccL） 55萬噸。 復合材 料總產量穩(wěn)居全球第二。 China Aerodynamics Research Development Center 68 3.6 復合材料的工程應用與發(fā)展 趨勢 復 合 材 料 之 樹 China Aerodynamics Research Development Center 69 纖維增強樹脂基復合材料應用 -土木工程 補強、修補已有的土木工程結構 房屋抗震加固 建筑物加固、修復 復合材料橋梁、 CFRP拉索斜拉橋 復合材料建筑結構 China Aerodynamics Research Development Center 70 China A

45、erodynamics Research Development Center 71 China Aerodynamics Research Development Center 72 纖維增強樹脂基復合材料應用 -大口徑管道 引鄂濟烏工程 昆明（掌鳩河）引水工程 China Aerodynamics Research Development Center 73 .36 meter LM blade .60 meter LM blade 纖維增強樹脂基復合材料應用 -風力發(fā)電葉片 China Aerodynamics Research Development Center 74 China A

46、erodynamics Research Development Center 75 纖維增強樹脂基復合材料應用 -軌道交通 磁懸浮、高速列車車頭 China Aerodynamics Research Development Center 76 China Aerodynamics Research Development Center 77 纖維增強樹脂基復合材料應用 -運動器材 China Aerodynamics Research Development Center 78 China Aerodynamics Research Development Center 79 China

47、Aerodynamics Research Development Center 80 China Aerodynamics Research Development Center 81 China Aerodynamics Research Development Center 82 China Aerodynamics Research Development Center 83 “一代材料，一代飛機 ” ，在新一代大型 飛機上復合材料的用量創(chuàng)下了歷史新高，其已 成為大型飛機先進性的重要指標。 空客 A380用復合材料 25%，波音 787用復 合材料 50%，空客 A350將用復合材料

48、52%， 國際上預計 2020年 在民機上復合材料應用將 達到 7080%。 復合材料在航空工業(yè)中的應用現狀和發(fā)展趨勢 China Aerodynamics Research Development Center 84 波音系列飛機復合材料應用趨勢 19951990198419831982 1968 0 10 20 30 40 50 60 年 復合材料占結構重量的百分 比(%) B787 B777 2008 B747-400 B737 B767 China Aerodynamics Research Development Center 85 空客系列飛機復合材料應用趨勢 A350 A380

49、A322 A321 A330 A300 A320 A310 0 10 20 30 40 50 60 年 復合材料占結構重量的 百分比( % ) A340 1985 1986 1989 1991 1993 1994 1997 2004 2010 China Aerodynamics Research Development Center 86 空客 A380 復合材料在 A380客機上的應用 China Aerodynamics Research Development Center 87 787使用材料情況 “787客機使用的復合材料機身是其與 任何空客競爭機型之間最大的不同 。 ” Chin

50、a Aerodynamics Research Development Center 88 ？ China Aerodynamics Research Development Center 89 1、用復合材料設計的飛機結構 , 可以有效地減輕結構 重量達 20 % 30 %, 在飛機其它技術指標相近的情況 下 , 提高飛機運載能力 , 或在相同載重下 , 降低發(fā)動機 油耗 , 延長飛機航程 ; 2、復合材料優(yōu)異的抗疲勞和耐腐蝕性能 , 提高了飛機 結構的使用壽命 , 降低了飛機維護要求 ; 3、同時也為客機增加艙內壓力和空氣濕度、改善艙 內環(huán)境設計提供了可能性 , 大大 提高了飛行的舒適性

51、; 4、復合材料結構有利于整體設計與整體制造技術的 應用 , 一方面可以減少結構零部件的數量 , 提高結構的 效率與可靠性 ,另一方面可以采用低成本整體制造工藝 , 降低制造成本 。 China Aerodynamics Research Development Center 90 未來民機發(fā)展趨勢 成本降低： 30 50% 噪聲減少： 25 50% 效率提高： 10% 20% 飛機結構重量 減輕： 20% 復材主結構技術是未來民機競爭力的關鍵之一 China Aerodynamics Research Development Center 91 需要復合材料結構 復材主結構技術是未來民機競爭

52、力的關鍵之一 China Aerodynamics Research Development Center 92 F16 2% 復合材料用量同 樣是軍機先進性 的重要標志 F22 24% F/A18 12% F35 35% 軍機 F/A-22： IM7/5250-4、 IM7/977-3 (高性能 ) 雙馬為 17.2%，環(huán)氧 6.6% F-35： IM7/977-3、 IM7/5250-4 (低成本 ) 環(huán)氧 30%，雙馬為 4% F/A-18E/F： AS4/977-3、 IM7/977-3 (低成本 ) 全用環(huán)氧 China Aerodynamics Research Developme

53、nt Center 93 B-2 50% 先進復合材料是實現軍 機先進性的根本途徑 China Aerodynamics Research Development Center 94 直升機 直升機（ 50-80% ） Tiger 80% 歐洲虎式武裝直升機 可垂直起落 傾轉旋翼后能高速巡航 復合材料 3000kg V-22 50% China Aerodynamics Research Development Center 95 Voyager（ 旅游者號 ） 全復合材料無人機 90以上為 CFRP，飛機結構重 453kg，可連續(xù)飛行 9天，飛行距 離達 40252km 無人機 China

54、Aerodynamics Research Development Center 96 3.7 復合材料葉片的材料選擇 在確定應用復合材料制備葉片后，具體用什 么原材料、用什么增強材料制品、用什么性能的 基體、用什么夾芯材料、用何性能的膠粘劑、用 什么樣的表面材料，這是今天我們結構設計人員 要重點考慮的內容。 葉片的設計和材料選擇不僅決定風力機性能 和效率，同時決定了每千瓦時電量的成本。選擇 合適的材料對于葉片設計起著關鍵性作用。 China Aerodynamics Research Development Center 97 3.7 復合材料葉片的材料選擇 復合材料風力機葉片用主要材料體系

55、包括各 種增強材料、基體材料、夾層泡沫、膠粘劑和各 種輔助材料等。 現在增強材料大量使用 E玻纖 ,其成本低 (10元 /公斤以下，高性能的 E6玻璃纖維價格約 16元 /公 斤 )、適用性強。當要求更高的強度和剛度時 ,將 會使用到高強玻纖 ,如 S2玻纖 ,雖然價格較高 (40 50元 /公斤 ) ,但適當使用會有好處。某些新興纖 維也可用作候選對象 ,如超高分子量聚乙烯纖維、 玄武巖纖維等。 China Aerodynamics Research Development Center 98 3.7 復合材料葉片的材料選擇 根據國外有關資料報道，當風力機超過 3MW、葉片長度超過 40米時

56、，在葉片制造時采 用 碳纖維 已成為必要的選擇。事實上，當葉片超 過一定尺寸后， 碳纖維 葉片反而比玻纖葉片便宜， 因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下 降了 。 我國的情況如何需要研究， 但國外的經驗值 得重視。 China Aerodynamics Research Development Center 99 3.7 復合材料葉片的材料選擇 增強纖維主要力學性能 順紋抗 拉 /MPa 順紋抗 壓 /MPa 毛竹 204.2 65.5 淡竹 198.4 84.6 楊木 65.2 22.4 紅松 101.4 34.3 水杉 84.2 40.6 China Aerodynamics Res

57、earch Development Center 100 3.7 復合材料葉片的材料選擇 要注意的是增強材料本身也一直處于不斷發(fā)展當中。 Owens Corning提出的新一代的玻璃纖維增強材料 WindStrand ，其與 E玻璃纖維增強材料相比，剛度提 高 17%、強度提高 30%、疲勞壽命提高 10倍，這一特性使得 可使風力機壽命和風能利用率大大提高。此外， WindStrand 增強材料重量輕 10%，這樣葉片可以做的更 長，最終可以降低單位電量的成本。 值得關注！ China Aerodynamics Research Development Center 101 3.7 復合材料葉

58、片的材料選擇 國外 碳纖維 用于葉片制造的廠家主要有： LM 61.5米長的 5MW風機葉片在梁和端部選用了 碳纖維 ； Nordex 56米長的 5MW風機葉片的整個梁結構采用了 碳纖維 ，他們認 為葉片超過一定尺寸后， 碳纖維 葉片的制作成本并不比玻纖的高； Vestas 44米長、 V-90 3.0 MW風機葉片的梁采用了 碳纖維 。 2004年 12月 Zoltek Companies Inc宣布與 Vestas wind Systems AS公司訂 立長期戰(zhàn)略合同，在前三年提供價值 8千萬到 1億美元的 碳纖維 用于制造 風機葉片； Zoltek Companies Inc在股東大會

59、上宣布對 NEG Micon的 碳纖維 合同將從每年 150噸增加一倍。同時每年分別向 Vestas和 Gamesa各提供 1000噸，所用牌號為 Panex33 48K； T700/12K的產品已降到 30/公斤左右，大絲束的可降至 20/公斤左右， 國內及臺塑的 12K產品可降至 150200元（人民幣） /公斤左右 China Aerodynamics Research Development Center 102 3.7 復合材料葉片的材料選擇 國外 碳纖維 用于葉片制造的廠家主要有： 西班牙 Gamesa在他們旋轉直徑為 87米（ G87）和 90米（ G90） 2MW 的風機的葉片

60、中采用了 碳纖維 環(huán)氧樹脂預浸料， G90葉片長 44米，質量 約 7t。 NEG Micon在 40米的葉片中也采用了 碳纖維 德國 Enercon GmbH在他們的大型葉片的制造中也使用了 碳纖維 。 由于 碳纖維 比玻纖昂貴，采用百分之百的 碳纖維 制造葉片從成本上來說 是不合算的。目前國外 碳纖維 主要是和玻纖混和使用， 碳纖維 只是用到一 些關鍵的部分。 碳纖維 在葉片中應用的主要部位有： 橫梁 （ Spar），尤其是橫梁蓋（ Spar Caps） 前后邊緣 ，除了提高剛度和降低質量外，還起到避免雷擊對葉片造成的損傷 （專利 US6457943BI） 葉片的表面 ，采用具有高強度特性

61、的 碳纖維 片材（日本專利 JP2003214322）。 China Aerodynamics Research Development Center 103 3.7 復合材料葉片的材料選擇 幾種材料性能的比較 China Aerodynamics Research Development Center 104 基體材料目前大量使用不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂， 現也有不少 企業(yè)在探討使用乙烯基樹脂。 注意：在明確了用增強纖維、基體材料的類型后，使用 何種織物類型、選用具備什么性能的該型基體也還需要認真 選擇。 譬如是選用機織物還是選用經編織物？是選用單向織物 還是選用雙向 /三軸向 /四軸向經編

62、織物？ China Aerodynamics Research Development Center 105 3.7 復合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 106 3.7 復合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 107 3.7 復合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 108 3.7 復合材料葉片的材料選擇 無堿粗紗 1： 1方格布 考慮到風力機葉片主要是縱向受力

63、，即氣動彎曲和離心力，氣動彎曲荷載比離心 力大得多，由剪切與扭轉產生的剪應力不大。利用纖維受力為主的受力理論，可把主 要纖維安排在葉片的縱向，這樣就可減輕葉片的重量。依此可幫助我們選擇經編織物 的種類。 China Aerodynamics Research Development Center 109 3.7 復合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 110 3.7 復合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 111 3.7 復合材料葉片的材料

64、選擇 China Aerodynamics Research Development Center 112 3.7 復合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 113 3.7 復合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 114 3.7 復合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 115 3.7 復合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research D

65、evelopment Center 116 3.7 復合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 117 3.7 復合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 118 3.7 復合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 119 3.7 復合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 120 China Aero

66、dynamics Research Development Center 121 巴斯夫公司推出了一種新的環(huán)氧系統(tǒng) Baxxodur雙 組份環(huán)氧 /固化劑系統(tǒng)。由于使用了新的固化劑，該類系統(tǒng) 能極大地加速大型葉片的生產。為了保證樹脂能夠完全快速 地充滿葉片的模具，該類環(huán)氧系統(tǒng)在初始階段反應緩慢。然 后通過加熱加速固化反應，能更快地在脫模后生產下一個葉 片。這樣使整個生產時間減少 30%，提高了生產率。相比傳 統(tǒng)的環(huán)氧系統(tǒng)其能在更寬的溫度范圍內進行操作，使生產過 程更加靈活。現已通過 GL認證，可用于風力發(fā)動機中。 China Aerodynamics Research Development Center Corporate Overview 對芯材的要求 需要 芯材性能 承受橫向荷載 高剪切強度 低撓向變形 高剪切模量 防止板材失穩(wěn) 高剪切模量 防止面層局部失穩(wěn) 高拉伸和壓縮模量 , 高剪切模量 抗疲勞 高剪切強度 , 剪切應變和 斷裂 韌 度 抗沖擊 高剪切和壓縮強度 , 高的能量吸收 抗應力集中 高剪切應變 重量優(yōu)化 多種密 度供選擇 China Aerodynamics Res