風力發電機復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）

風力發電機是一種將風能產生的空氣動壓轉換為風力機葉片轉動動能，進而將該動能轉化為電能的能源裝置，是當前可再生新能源發電技術的重要實現方式。隨著人類科技對更大功率風力發電技術的需求，風力機的葉片長度不斷加大，如果不進行材料革新，風力機葉片的重量也會快速增加，導致驅動葉片本身消耗的風能快速增加，風力機效率隨著其功率增加而快速降低。所以，風力機的大型化、輕量化技術革新需求也與日俱增。

在實現風力機葉片大型化和輕量化多目標技術革新時，使用密度更低的復合材料進行風力機葉片構型，是有效解決該技術矛盾點的重要手段。但當前技術條件下復合材料在抗氧化、抗風化、抗熱脹、分子結構及分子間結構穩定性等方面都有待進一步研究，如何保障風力機葉片使用復合材料后，其材料壽命成本可以與風力機葉片“重量-效率”成本關系相呼應，是本文的研究重點。該研究通過有限元分析法，對不同復合材料風力機葉片的實際老化性能對其力學性能的影響進行分析，最終發現不同復合材料在老化過程中的力學性能表達。

1 試驗方法

1.1 該有限元分析的概念與數學模型

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。利用簡單而又相互作用的元素（即單元），就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。

風力機結構有限元分析的理論基礎是有限單元法，它通過將結構比較復雜的大型幾何體離散成有限數目單元體，對每個單元體應用彈性力學基本方程和最小位能原理進行聯立求解，得出滿足工程精度的近似結果來替代對實際結構的分析，可解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。對于一個連續的彈性體，在用有限元法進行離散化后，這些單元都通過節點傳遞載荷，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為形函數矩陣；ue為任意單元體節點的位移向量。

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

式（2）中，ε為任意單元體的應變向量；L為微分算子；B為單元應變矩陣。

根據連續彈性體的物理方程和式（2），則任意單元體的應力向量σ可表示為：

式（3）中，σ為任意單元體的應力向量；D為彈性矩陣。

根據最小位能原理，在體積域V內，系統總的載荷向量P可表示為：

式（4）中，K為系統總的剛度矩陣，Ke為單元剛度矩陣；P為系統總的載荷向量。

再利用結構的力和位移邊界條件，可求得整個有限元系統的應力、應變、位移及載荷。

另外，根據瞬時最小勢能原理，可導出結構的運動微分方程：

式（5）中，M、C為系統總的質量矩陣、阻尼矩陣。

對于自由振動狀態，外力為零。

1.2 風力機葉片的有限元建模

進行復合材料風力機的模態分析主要使用有限元軟件hypermesh進行風力機有限元模型的建立、求解、結果處理。將三維軟件繪制的風力機模型通過中間文件格式igs加載到hypermesh軟件中，在進行網格劃分之前首先對三維模型進行模型處理，通過Topo模式顯示圖形的面信息，并通過快速編輯、面編輯和面設計，對導入的三維模型進行表面處理，使圖形更加的光順，去除尖角及不平滑過渡區，保證后續進行網格劃分時，網格質量更加滿足要求。如圖1所示。

圖1 處理之后的風力機葉片模型Fig .1 Wind turbine blade model after treatment

在完成網格劃分之后，利用hypermesh自帶的optistruct模塊進行復合材料風力機的模態求解，optistruct是一個效率極高、精確獨立的有限元求解器,支持在多cpu處理計算機上進行并行運算。該求解器涵蓋了標準的有限元類型，可用于進行線性靜態分析、模態分析、慣性釋放、頻率響應分析和屈曲分析。在進行求解之前需要定義復合材料的屬性，目前風力機中常用的復合材料主要有玻璃纖維、碳纖維增強材料、石墨環氧樹脂復合材料(參數見表1）。本文選擇石墨環氧樹脂作為風力機的復合材料。

表1 復合材料參數Table 1 Composite material parameters

2 有限元模型下分子結構力學賦值

玻璃纖維（Fibre glass），是一種性能優異的無機非金屬材料，種類繁多，優點是絕緣性好、耐熱性強、抗腐蝕性好、機械強度高，但缺點是性脆，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高溫熔制、拉絲、絡紗、織布等工藝制造成的，其單絲的直徑為幾個微米到二十幾個微米，相當于一根頭發絲的 1/20～1/5 ，每束纖維原絲都由數百根甚至上千根單絲組成。玻璃纖維通常用作復合材料中的增強材料，電絕緣材料和絕熱保溫材料，電路基板等國民經濟各個領域。

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-環氧樹脂復合材料。添加液體橡膠能改善環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。

該復合材料風力機葉片采用玻璃纖維外殼澆筑石墨環氧樹脂主體進行結構構成，所以在實際分析中，應分析兩種材料在不同轉速、不同均溫、不同日溫差下的老化過程。

轉速影響下的抗剪力變化趨勢如圖2所示。

圖2 轉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，當風力機葉片抗剪應力小于5.0GPa時，系統結構受力學安全性即受到較大程度威脅，當葉片轉速達到10r/min時，其壽命在10年以上，而當其葉片轉速達到40r/min時，其壽命會下降到4年以內。即在相同老化條件影響下，風力機葉片轉速對其壽命影響較為顯著，實際運行條件下，風力機葉片轉速會被控制在15～20 r/min之內，所以，在后續研究中，以20r/min轉速為研究對象，重點考察其他條件對風力機葉片老化過程的影響。

考察環境日均氣溫對風力機葉片抗剪應力降至5GPa時的時間影響，結果如圖3所示。

圖3 環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，保持風力機葉片抗剪應力超過5.0GPa且轉速保持在20r/min條件下，其壽命變化呈現出倒U型，在氣溫達到23.7℃時，該葉片壽命最長，達到8.4年，在20～30 ℃時，其壽命均可保持在8年以上。即該材料的風力機葉片實現模式，適合暖溫帶亞熱帶地區，而中國大部分國土面積均處于該地區，包括華北平原、長江中下游平原、閩越兩廣地區等。所以該實現模式在國內擁有較強的適應性。

除日均溫度外，中國的廣闊區域，還面臨著東部地區日夜溫差較小，西部地區日夜溫差較大的問題。溫差也會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所示結果。

圖4 日夜溫差對葉片壽命的影響結果（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，且此趨勢隨著環境日均溫度的下降而有所加劇。即考慮5年的經濟壽命，在環境均溫為5℃的區域內，環境日夜溫差不應超過6℃，在環境均溫為15℃的區域內，環境日夜溫差不應超過7℃，在環境均溫為25℃的區域內，日夜溫差不應超過12℃。

綜合上述有限元分析結果，當風力機葉片轉速為20r/min時，溫度控制在20～30 ℃時，其老化過程得到最佳控制，當日均溫度控制在16～41 ℃時，其老化過程限定的葉片壽命可控制在經濟壽命5年以上，所以，在技術實現條件下，環境日均溫度低于16℃時，應對葉片溫度進行溫控處理。隨著轉速增加和日夜溫差增加，葉片老化速度會顯著增加，葉片壽命會顯著下降。

3 結果討論

相關研究中，熱環境對玻璃纖維-環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]研究了環氧樹脂在熱環境下的分解變化過程。李丹等研究了玻璃纖維在熱環境下的抗沖擊性能在老化過程中的表現[3]。王國建等研究的玻璃纖維-環氧樹脂復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，表現出于本文研究的玻璃纖維-環氧樹脂復合材料表現出類似的熱老化性質[5]。付晨陽等[6]則研究了紫外線對玻璃纖維-環氧樹脂復合結構的老化過程影響。

綜上，高溫、低溫、大溫差等環境條件，對玻璃纖維-環氧樹脂結構風力機葉片的老化過程會產生直接影響，主要影響模式為加速材料的化學分解過程，造成物理裂隙節理等。這些會影響到玻璃纖維-環氧樹脂結構風力機葉片的使用壽命。

為了緩解該老化過程產生的影響，相關研究也進行了多種試驗，綜合本文分析的影響因素，可以歸結為以下幾點：

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

（2）通過在風力機葉片內構建循環管路，使高溫環境下可以對葉片進行主動冷卻，或在低溫環境下可以對葉片進行主動增溫。該過程使風力機葉片受到外部環境溫度的影響降到最低，可以使風力機葉片的運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耐冷卻液對風力機葉片溫度進行管理，以延長其壽命[8]。

（3）通過在風力機葉片表面涂刷抗老化涂層的方式對其進行抗老化處理。該涂層可以與玻璃纖維外殼內部分子結構產生反應，增加其分子結構的穩定性，同時可以實現對外界環境的有效隔離，減弱其熱分解過程，減弱紫外線輻射作用，以達到抗老化的目的。如李波等[9]、郭智臣[10]對風力機葉片表面涂層的研究，該方式技術成型時間較早，但在今天仍有較廣泛應用。

4 結論

影響環氧樹脂-玻璃纖維復合材料結構風力機葉片壽命的因素，包括其本身轉速帶來的自重壓彎、風力喘振諧振等引起的結構疲勞，該過程可能造成其內部節理發育，加速其老化過程，影響其壽命；也與風力機葉片的運行環境溫度有關，如高溫帶來的材料分解、低溫帶來的材料化學鍵釋放、溫差帶來的內部熱脹度變化引起的節理發育等；也與紫外線環境、氧環境、水環境等有關。實驗中發現，當風力機葉片轉速為20r/min時，溫度控制在20～30 ℃時，其老化過程得到最佳控制，當日均溫度控制在16～41 ℃時，其老化過程限定的葉片壽命可控制在經濟壽命5年以上，所以，在技術實現條件下，環境日均溫度低于16℃時，應對葉片溫度進行溫控處理。綜上，可以通過優化材料分子力學復合結構、對葉片進行主動溫控、選擇抗老化表面涂層等進行風力機葉片抗老化處理。