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CN118332733B - 一种叶片根部用四轴布的设计方法 - Google Patents

一种叶片根部用四轴布的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于四轴布制备技术领域，具体涉及一种叶片根部用四轴布的设计方法，包括如下步骤：确定四轴布的每一层纱线的角度；根据叶片根部的力学性能需求确定力学性能指标；根据力学性能指标范围确定四轴布的每一层纱线的品类；根据四轴布的每一层纱线的品类确定四轴布的每一层纱线的初始面重克数，获得四轴布初始设计方案；根据力学性能指标调整四轴布初始设计方案中的每一层纱线的面重克数，获得四轴布最终设计方案。

Description

一种叶片根部用四轴布的设计方法
技术领域
本发明属于四轴布制备技术领域，具体涉及一种叶片根部用四轴布的设计方法。
背景技术
海上风电的发展需要制造配套的大型叶片，目前主流的4MW、5MW、6MW机型已经逐渐满足不了市场需求，随之而来对叶片长度的要求也在不断攀升。海上风电大叶片优势足够多，研究难点也足够多：材料的选择、气动性问题的考虑、设计结构的可靠性、叶片质量的要求、成本的经济性考量甚至超长叶片的制造厂址选择和运输问题等等，都是需要综合考虑的痛点难点。
目前行业内常规使用的叶片壳体增强层材料，尽管在一般情况下表现出良好的性能，但对于海上超大叶片的设计要求来说，存在拉伸性能不足的问题。增加铺层或增加玻璃钢厚度等传统方法，虽然可以提升叶片的强度，但也带来了叶片超重和主机超载的风险。
四轴布作为一种特殊的纤维布，由两层偏振方向相互垂直的双向纤维组成，具有更高的拉伸强度和模量。这种设计使得四轴布能够更好地抵抗双向受力，有效地分散叶片根部的应力，从而提高了叶片的整体强度和稳定性，如何针对不同的叶片根部需求，相应的设计四轴布，是目前难以解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种叶片根部用四轴布的设计方法，叶片根部在实际工作条件下的受力情况，包括拉伸、压缩、扭转等力学特性。通过数值模拟或实验测试，获取叶片根部的受力数据，为四轴布的设计提供依据，对每一层的角度、克重、模量、纱线类型进行均衡的设计，特别是90°用低克重高模量织物层，这种设计方式可以有效提高90°方向的性能，保证叶片根部的力学性能。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
本发明提供的一种叶片根部用四轴布的设计方法，包括如下步骤：
确定四轴布的每一层纱线的角度；
根据叶片根部的力学性能需求确定力学性能指标；
根据力学性能指标范围确定四轴布的每一层纱线的品类；
根据四轴布的每一层纱线的品类确定四轴布的每一层纱线的初始面重克数，获得四轴布初始设计方案；
根据力学性能指标调整四轴布初始设计方案中的每一层纱线的面重克数，获得四轴布最终设计方案。
进一步的，由上而下依次设置的经纬纱层，第一层为第一角度方向的经纱层；第二层为第二角度的的纬纱层，第三层为第三角度的经纱层，第四层为第四角度的纬纱层，第一角度和第三角度互相垂直，同时第二角度与第四角度被第一角度纱线平分。
进一步的，第一角度范围是0～90°，则第二角度范围是30～-60°。
进一步的，根据叶片根部的力学性能需求确定力学性能指标，包括：拉伸强度、压缩强度、弯曲刚度或疲劳寿命中的任意一种或多种。
进一步的，根据力学性能指标范围确定四轴布的每一层纱线的品类，包括：根据力学性能指标的最大值和最小值选择能够满足力学性能指标的纱线的品类。
进一步的，根据四轴布的每一层纱线的品类确定四轴布的每一层纱线的初始面重克数，包括：每一层纱线的面重均采用这一层纱线的品类下的敏感面重克数。
进一步的，通过历史数据的点值聚类生成敏感度面重克数的区间。
进一步的，根据力学性能指标调整四轴布初始设计方案中的每一层纱线的面重克数，包括：
按照四轴布初始设计方案，制备四轴布样品；
测试四轴布样品的力学性能数据；
根据力学性能数据与力学性能指标之间的差异调整面重克数。
进一步的，根据力学性能数据与力学性能指标之间的差异调整面重克数，包括：将力学性能指标分为经纱层力学性能指标和纬纱层力学性能指标；
根据经纱层力学性能数据与经纱层力学性能指标之间的差异调整经纱层的面重克数；
根据纬纱层力学性能数据与纬纱层力学性能指标之间的差异调整纬纱层的面重克数。
进一步的，根据力学性能数据与力学性能指标之间的差异调整面重克数，包括：若力学性能数据小于力学性能指标，增加面重克数；若力学性能数据超出力学性能指标10％，减少面重克数。
进一步的，调整面重克数的依据是，对不同纱线的品类，测试其面重克数、角度和拉伸强度数据，拟合曲线，根据拟合曲线确定在不同角度，每增加1克重，能够提升的拉伸强度。
进一步的，对不同纱线品类，测试其面重克数、角度和拉伸强度数据，拟合曲线，根据拟合曲线确定在某一角度，每增加1克重，能够提升拉伸强度多少MPa，以这个数据根据力学性能数据与力学性能指标之间的差异调整面重克数。
进一步的，力学性能指标包括：拉伸强度和压缩强度。
进一步的，根据力学性能数据与力学性能指标之间的差异调整面重克数，面重克数的调整依据以下计算公式：
其中，ΔM为力学性能数据与力学性能指标的差，M为力学性能指标。
进一步的，纱线的品类包括TM+纱线、ECT纱线、Twaron纱线、Technora纱线或Vectran纱线。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的叶片根部用四轴布的设计方法，通过根据叶片根部的力学性能需求确定力学性能指标，并根据这些指标确定四轴布的每一层纱线的品类和角度，可以实现对四轴布的精准设计，确保其满足叶片根部的实际力学性能需求。同时，根据力学性能指标范围和每一层纱线的品类确定初始设计方案，然后根据实际需求对初始设计方案进行调整，得到最终设计方案，可以根据具体情况对四轴布进行定制，最大程度地优化叶片根部的结构性能。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，对依据本发明提出的一种叶片根部用四轴布的设计方法，其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。
本具体实施方式提供的一种叶片根部用四轴布的设计方法，包括如下步骤：
S1、确定四轴布的每一层纱线的角度；
S2、根据叶片根部的力学性能需求确定力学性能指标；
S3、根据力学性能指标范围确定四轴布的每一层纱线的品类；
S4、根据四轴布的每一层纱线的品类确定四轴布的每一层纱线的初始面重克数，获得四轴布初始设计方案；
S5、根据力学性能指标调整四轴布初始设计方案中的每一层纱线的面重克数，获得四轴布最终设计方案。
在一些优选的具体实施方式中，由上而下依次设置的经纬纱层，第一层为第一角度方向的经纱层；第二层为第二角度的的纬纱层，第三层为第三角度的经纱层，第四层为第四角度的纬纱层，第一角度和第三角度互相垂直，同时第二角度与第四角度被第一角度纱线平分，具体的，若第一角度范围是0～90°，则第二角度范围是30～-60°。
上述方法通过设置不同方向的纱线层，可以使叶片在多个方向上具有较高的强度和稳定性，不同方向的纤维层相互交错，可以有效地抵消外部应力，提高叶片的整体结构强度；同时，设置纵向和横向交叉的纱线层，可以提高叶片的抗拉性能，纱线层的相互垂直排列可以增加叶片在不同方向上的拉伸强度，提高叶片的耐久性和可靠性。
在一些优选实施例中，根据叶片根部的力学性能需求确定力学性能指标包括：拉伸强度、压缩强度、弯曲刚度或疲劳寿命中的任意一种或多种；优选为拉伸强度和压缩强度。上述性能指标能够使四轴布具有优异的拉伸性能和强度，可以在提高叶片强度的同时，实现叶片轻量化设计，降低叶片的自重，减轻风机主机超载的风险。
在一些优选实施例中，根据力学性能指标范围确定四轴布的每一层纱线的品类，包括：根据力学性能指标的最大值和最小值选择能够满足力学性能指标的纱线的品类。例如：当第一角度方向或第三角度方向选择ECT纱线时，若要达到目标需求的拉伸强度，则需要大幅增加面重克数，因此，当第一角度向或第三角度方向的拉伸强度要求较高时，选择TM+纱线或其他拉伸强度更高的纱线。
在本具体实施例方式中，根据四轴布的每一层纱线的品类确定四轴布的每一层纱线的初始面重克数，包括：每一层纱线的面重均采用这一层纱线的品类下的敏感面重克数。
具体的，通过历史数据的点值聚类生成该纱线品类下的敏感度面重克数的区间，具体括如下操作步骤：
S41、收集数据：收集纱线品类和对应的拉伸强度数据。
S42、数据预处理：对数据进行清洗、处理缺失值和异常值。
S43、特征选择与转换：确定纱线品类和拉伸强度作为影响敏感度面重克数的关键特征。
S44、聚类分析：使用聚类算法对数据进行聚类，以识别不同纱线品类和拉伸强度条件下的数据点组成的簇。
S45、确定敏感度面重克数区间：对每个聚类簇计算敏感度面重克数的平均值或中位数，并确定其区间。
S46、根据纱线品类和拉伸强度的不同，生成相应的敏感度面重克数区间，选择克数区间内的中位数作为初始面重克数。在一些优选实施例中，根据力学性能指标调整四轴布初始设计方案中的每一层纱线的面重克数，包括：
S51、按照四轴布初始设计方案，制备四轴布样品；
S52、测试四轴布样品的力学性能数据；
S53、根据力学性能数据与力学性能指标之间的差异调整面重克数。
上述方法，通过根据实际测试的力学性能数据，调整四轴布的面重克数，可以确保叶片的力学性能指标能够达到设计要求，有效提高叶片的结构强度、刚度和稳定性，确保其在使用过程中具有良好的性能表现，同时，根据力学性能数据与力学性能指标之间的差异，调整四轴布的面重克数，可以优化叶片的结构设计，提高了叶片的可靠性、耐久性和安全性，降低故障率和维护成本，避免过度设计或不足设计，最大程度地利用材料资源，减少浪费。
在一些优选的实施例中，根据力学性能数据与力学性能指标之间的差异调整面重克数，包括：
S531、将力学性能指标分为经纱层力学性能指标和纬纱层力学性能指标；
S532、根据经纱层力学性能数据与经纱层力学性能指标之间的差异调整经纱层的面重克数；
S533、根据纬纱层力学性能数据与纬纱层力学性能指标之间的差异调整纬纱层的面重克数。
上述方法将力学性能指标细分为经纱层和纬纱层力学性能指标。经纱层和纬纱层在叶片的不同方向承担着不同的作用，因此针对性地调整每个方向上的面重克数，能够确保叶片在各个方向上的力学性能都能够满足设计要求；其中，经纱层通常承担着叶片的纵向载荷和拉伸强度的主要作用，因此需要根据经纱层力学性能指标对经纱层的面重克数进行调整。
本具体实施方式，通过增加或减少经纱层的面重克数，可以精确控制叶片在纵向方向上的拉伸强度和刚度，确保其能够承受风力等外部负荷的作用；纬纱层通常承担着叶片的横向载荷和弯曲强度的主要作用，因此根据纬纱层力学性能指标对纬纱层的面重克数进行调整，可以精确控制叶片在横向方向上的弯曲强度和稳定性，确保其能够在复杂的气流环境下保持稳定。
通过精细化调整经纱层和纬纱层的面重克数，可以最大程度地优化叶片的结构设计，使其在各个方向上都能够满足设计要求，同时避免不必要的过度设计或不足设计，这种精细化调整的方法可以提高叶片的性能与可靠性，降低材料浪费，提高工程实施的可控性和可预测性。
具体的，根据力学性能数据与力学性能指标之间的差异调整面重克数，包括：若力学性能数据小于力学性能指标，增加面重克数；若力学性能数据超出力学性能指标10％，减少面重克数；具体的，面重克数的调整依据以下计算公式：其中，ΔM为力学性能数据与力学性能指标的差，M为力学性能指标。
以拉伸强度为例，若对四轴布初始设计方案制备出的样品进行测试后，获得该样品的经纱层拉伸强度为NT，与拉伸强度指标MT之间的差异为ΔMT，则根据判断四轴布初始设计方案制备出的样品是否符合目标需求，如果不符合，则根据拉伸强度与面重克数之间的关系，根据ΔMT的值对面重克数进行调整。
其调整方案具体可以是，对不同纱线品类，测试其面重克数、角度和拉伸强度数据，拟合曲线，根据拟合曲线确定在某一角度，每增加1克重，能够提升拉伸强度多少MPa，以这个数据根据ΔMT的值对面重克数进行调整；例如，每增加1克重，能够提升拉伸强度CMPa；则根据公式计算需要提高或降低P面重克数。
上述方法通过对不同纱线品类进行测试，并拟合出面重克数、角度和拉伸强度之间的关系曲线，可以更准确地了解不同参数对拉伸强度的影响，大幅提高设计的精度，使得叶片的力学性能更加符合实际需求；其中，根据拟合曲线确定每增加1克重能够提升的拉伸强度，可以在设计过程中更好地调整纱线的面重克数，且通过优化纱线的面重克数，可以在保证叶片强度的前提下尽量减少材料的使用量，从而降低叶片的制造成本以及达到轻量化的目的。
在一些具体实施方式中，纱线的品类包括TM+纱线、Twaron纱线、Technora纱线或Vectran纱线。
实施例：一种叶片根部用四轴布的设计方法，包括如下步骤：
S1、确定四轴布的每一层纱线的角度，包括：由上而下依次设置的经纬纱层，第一层为0°方向经纱层；第二层为+45°方向纬纱层；第三层为90°方向经纱层；第四层为-45°方向纬纱层。
S2、根据叶片根部的力学性能需求确定力学性能指标，根据叶片根部材料性能测试结果和ansys仿真分析确定力学性能指标见表1。
表1.力学性能指标
力学性能 T0/MPa T90/MPa C0/MPa VNS/MPa
目标值 750 300 550 150
S3、根据力学性能指标范围确定四轴布的每一层纱线的品类；根据表1可知，在0°和90°方向的纱线，对拉伸强度的要求较高，因此，确定四轴布由上而下依次设置的经纬纱层，第一层采用TM+纱线；第二层采用ECT纱线；第三层采用采用TM+纱线；第四层采用ECT纱线。
S4、根据四轴布的每一层纱线的品类确定四轴布的每一层纱线的敏感面重克数，获得四轴布初始设计方案，其中每一层纱线的面重克数见表2。
具体方法为：
S41、收集数据：收集纱线品类和对应的拉伸强度数据。
S42、数据预处理：对数据进行清洗、处理缺失值和异常值。
S43、特征选择与转换：确定纱线品类和拉伸强度作为影响敏感度面重克数的关键特征。
S44、聚类分析：使用聚类算法对数据进行聚类，以识别不同纱线品类和拉伸强度条件下的数据点组成的簇。
S45、确定敏感度面重克数区间：对每个聚类簇计算敏感度面重克数的平均值或中位数，并确定其区间。
S46、根据纱线品类和拉伸强度的不同，生成相应的敏感度面重克数区间，选择克数区间内的中位数作为初始面重克数。
表2.四轴布初始设计方案
纱线方向 0° +45° 90° -45°
纱线品类 TM+468GS ECT468GS TM+468GS ECT468GS
纱线面重/g/cm2 1039 200 250 200
S5、根据力学性能指标调整四轴布初始设计方案中的每一层纱线的面重克数；
具体为，根据初始四轴布初始设计方案成型样品，采用全套静态性能测试，测试结果见表3：
表3.四轴布初始设计方案性能测试结果
根据上表可知，0°面T0强度比目标值高127MPa，90°面T90比目标值低34MPa，根据计算公式：其中，ΔM为力学性能数据与力学性能指标的差，M为力学性能指标，需要降低0°面的面重克数，增加90°面的面重克数。
对于ECT纱线，90°方向，面重每增加50g可增加拉伸强度30MPa，0°方向，面重每增加50g可增加拉伸强度40MPa；对于TM+纱线，0°方向，面重每增加50g可增加拉伸强度34MPa，90°方向，面重每增加50g可增加拉伸强度44MPa。
则根据公式计算，需降低0°方向纱线的面重克数94g/cm2，需提高90°方向纱线的面重克数51g/cm2。
根据实测值和目标值之间的差异可知，0°方向的拉伸强度与目标值相比有溢出，且溢出率大于10％，90°方向的拉伸强度明显小于目标值，则，将0°方向纱线的面重克数降低，将90°方向纱线的面重克数提高，其他两个方向纱线的面重克数不变，获得调整后的四轴布设计方案，具体见表4。
表4.调整后的四轴布设计方案
纱线方向 0° +45° 90° -45°
纱线品类 TM+468GS ECT468GS TM+468GS ECT468GS
纱线面重/g/cm2 945 200 301 200
按照调整后的四轴布设计方案制备样品，采用全套静态性能测试，测试结果见表5。
表5.调整后的四轴布设计方案性能测试结果
经过对比可知，调整后的四轴布设计方案的性能测试结果已经全部满足目标值需求，从而获得最终四轴布设计方案。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例展示如上，但并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种叶片根部用四轴布的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定四轴布的每一层纱线的角度；
根据叶片根部的力学性能需求确定力学性能指标；
根据力学性能指标范围确定四轴布的每一层纱线的品类；
根据四轴布的每一层纱线的品类确定四轴布的每一层纱线的初始面重克数，获得四轴布初始设计方案；
根据力学性能指标调整四轴布初始设计方案中的每一层纱线的面重克数，获得四轴布最终设计方案；
所述根据力学性能指标调整四轴布初始设计方案中的每一层纱线的面重克数，包括：
按照所述四轴布初始设计方案，制备四轴布样品；
测试四轴布样品的力学性能数据；
根据力学性能数据与力学性能指标之间的差异调整面重克数；
所述根据力学性能数据与力学性能指标之间的差异调整面重克数，包括：若力学性能数据小于力学性能指标，增加面重克数；若力学性能数据超出力学性能指标10％，减少面重克数；
所述根据力学性能数据与力学性能指标之间的差异调整面重克数，所述面重克数的调整依据以下计算公式：
其中，△M为力学性能数据与力学性能指标的差，M为力学性能指标；
调整面重克数的依据是，对不同纱线的品类，测试其面重克数、角度和拉伸强度数据，拟合曲线，根据拟合曲线确定在不同角度，每增加1克重，能够提升的拉伸强度。
2.根据权利要求1所述的一种叶片根部用四轴布的设计方法，其特征在于，所述确定四轴布的每一层纱线的角度，包括：由上而下依次设置的经纬纱层，第一层为第一角度方向的经纱层；第二层为第二角度的的纬纱层，第三层为第三角度的经纱层，第四层为第四角度的纬纱层，第一角度和第三角度互相垂直，同时第二角度与第四角度被第一角度纱线平分。
3.根据权利要求1所述的一种叶片根部用四轴布的设计方法，其特征在于，所述力学性能指标包括：拉伸强度、压缩强度、弯曲刚度或疲劳寿命中的任意一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种叶片根部用四轴布的设计方法，其特征在于，所述根据力学性能指标范围确定四轴布的每一层纱线的品类，包括：根据力学性能指标的最大值和最小值选择能够满足力学性能指标的纱线的品类。
5.根据权利要求1所述的一种叶片根部用四轴布的设计方法，其特征在于，所述根据四轴布的每一层纱线的品类确定四轴布的每一层纱线的初始面重克数，包括：每一层纱线的面重均采用这一层纱线的品类下的敏感面重克数。
6.根据权利要求1所述的一种叶片根部用四轴布的设计方法，其特征在于，所述根据力学性能数据与力学性能指标之间的差异调整面重克数，包括：将力学性能指标分为经纱层力学性能指标和纬纱层力学性能指标；
根据经纱层力学性能数据与经纱层力学性能指标之间的差异调整经纱层的面重克数；
根据纬纱层力学性能数据与纬纱层力学性能指标之间的差异调整纬纱层的面重克数。
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