2.3　風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片構(gòu)造設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)GRP葉片的構(gòu)造時(shí)主要考慮葉片根端連接與葉片剖面形式。葉片與輪箍連接使葉片成懸臂梁形式。作用在葉片上的荷載通過葉片根端連接傳到輪轂上，因此葉根的荷載最大。根端必須具有足夠的剪切強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度，與金屬的膠結(jié)強(qiáng)度也要足夠高。上述強(qiáng)度均低于其拉彎強(qiáng)度，因而葉片的根端設(shè)計(jì)應(yīng)予以重視。大型風(fēng)力機(jī)的GRP葉片根端形式主要有金屬法蘭(法蘭與葉根螺栓連接或膠結(jié))、預(yù)埋金屬桿及T型螺栓。金屬法蘭與葉根柱殼膠結(jié)，而不是傳統(tǒng)的螺栓連接，這可減輕根部的重量。大型風(fēng)力機(jī)的GRP葉片剖面采用蒙皮與主梁構(gòu)造形式。蒙皮的功能主要提供葉片的氣動(dòng)外形同時(shí)承擔(dān)部分彎曲荷載和大部的剪切荷載。蒙皮由雙向玻纖織物增強(qiáng)，以提高蒙皮的剪切強(qiáng)度。蒙皮的后緣部分采用夾層結(jié)構(gòu)，以提高后緣空腹結(jié)構(gòu)的抗屈曲失穩(wěn)能力。主梁為主要承力結(jié)構(gòu)，承載葉片的大部彎曲荷載，它采用單向程度較高的玻纖織物增強(qiáng)，以提高主梁的強(qiáng)度及剛度。
    2.4　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮制訂荷載規(guī)范、荷載計(jì)算、極限強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算、變形計(jì)算、固有頻率計(jì)算和屈曲穩(wěn)定計(jì)算。作用在葉片上的荷載主要有慣性力和重力、氣動(dòng)力、運(yùn)行荷載。荷載工況要考慮正常設(shè)計(jì)工況和正常外部條件、正常設(shè)計(jì)工況和極端外部條件、故障設(shè)計(jì)工況和允許的外部條件、運(yùn)輸安裝和維修設(shè)計(jì)工況等組合工況。對每種荷載工況要區(qū)分極限荷載與疲勞荷載。對于極限荷載，至少要計(jì)算50a一遇的極端風(fēng)速，要求葉片在極限荷載  下滿足強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定條件。葉片的疲勞荷載較復(fù)雜，規(guī)范提供了簡化疲勞荷載譜。根據(jù)葉片材料的S N曲線，應(yīng)用Palmgren miner線性累積損傷準(zhǔn)則進(jìn)行葉片的疲勞強(qiáng)度計(jì)算。
    風(fēng)力機(jī)葉片的固有頻率是重要的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)。作用在葉片上的氣動(dòng)荷載是動(dòng)荷載，其頻率為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的整數(shù)倍。對于3葉片風(fēng)力機(jī)組，頻率為轉(zhuǎn)速3倍的動(dòng)荷載分量最大。為避免葉片共振或產(chǎn)生較大的動(dòng)應(yīng)力，規(guī)范要求葉片的一階頻率高于3倍轉(zhuǎn)速頻率的20%。通過復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)及氣動(dòng)外形的優(yōu)化使葉片的頻率滿足動(dòng)態(tài)性能要求。葉片的頻率計(jì)算較復(fù)雜。葉片是變截面的，各截面的扭角是不同的。振動(dòng)時(shí)各個(gè)截面可分解為兩個(gè)方向的位移，產(chǎn)生了兩個(gè)方向互相耦合的彎曲振動(dòng)，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮耦合影響。葉片的彎曲耦合振動(dòng)方程：
    (EIyu″+EIxyv″)″-mw2u=0
    (EIxyu″+EIxv″)″-mw2v=0
    上述方程可采用數(shù)值方法求解。大型風(fēng)力機(jī)葉片采用空腔結(jié)構(gòu)形式，在氣動(dòng)荷載作用下葉片局部受壓區(qū)域可能發(fā)生突然損壞，稱為曲屈失穩(wěn)現(xiàn)象。葉片后緣空腔較寬，易發(fā)生失穩(wěn)。為此本設(shè)計(jì)采用夾層結(jié)構(gòu)。芯層和面層的厚度可采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論進(jìn)行計(jì)算。復(fù)合材料葉片的設(shè)計(jì)計(jì)算可采用經(jīng)典的層合梁理論，葉片簡化為懸臂梁。初步設(shè)計(jì)計(jì)算可滿足工程要求，但優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)采用有限元方法。有限元強(qiáng)大的建模和結(jié)構(gòu)分析功能適于葉片的應(yīng)力、變形、頻率、屈曲、疲勞及葉根強(qiáng)度的分析。葉片的構(gòu)造較復(fù)雜，由外殼、主梁、夾層等構(gòu)件組成，模型建立較困難。目前有葉片專用前處理軟件，簡化了葉片的結(jié)構(gòu)分析。