风机叶片的结构优先设计方法

　　3  案例：材料的革新——竹层积材
　　3.1设计前提：新材料的引入
　　在进行叶片设计的过程中，材料的选择对于降低成本，提高性价比是很重要的步骤。由于传统的设计过程第一步只考虑叶片形状设计，却忽略了叶片形状设计给结构设计和造价上带来的困难，因而不得不采用性能优良但价格昂贵的碳纤维作为主要材料。碳纤维昂贵的价格和目前的供应不足不利于叶片结构设计最小化成本的优化目标，研究人员已经开始探讨关于碳-玻璃混合纤维(Carbon Glass fiber hybrid)的可能性[5]，除了广泛采用的碳纤维和玻璃钢叶片，天然木材也是叶片制造的可选材料。
　　目前世界上有几千片兆瓦级木质复合材料叶片（以下简称木质叶片）正在运转，且工作情况良好。木质叶片生产工业于1986年由Jim Platts在英国怀特岛首创，1993年NEG Micon首次在兆瓦级风机中使用，2004年Vestas开始使用。木质叶片除了体现出最佳的重量价格比与能耗产出比之外，木质叶片生产技术还降低了生产设备费用和人工费用，提高了生产速度，降低了生产能耗，提高了生产中工人的健康与安全因素。由于使用复合材料比例较小，木质叶片对石油价格浮动的依赖性也相对较小。
　　目前木质叶片所选用的木材主要是芬兰桦木(Finland Birch)；而全世界唯一比芬兰桦木更适合做叶片原材料的植物是中国的竹材(Bamboo)。相对于木材，竹材拥有更好的结构性能与更快的生长速度，而且竹材是我国的优势资源，在我国产量充足，这将进一步降低叶片的价格并提高结构性能。通过与国际竹藤网络中心合作研究竹材力学性能、疲劳性能、干燥及粘合性能，我们进一步开发了以竹复合板材为主要结构体的叶片制造工艺。
　　本案例即以竹材的引入作为结构优先设计的前提。
　　3.2    结构分析
　　木质叶片/竹质叶片可以作为优良的主体支撑材料，与碳纤维比较，最大的优势在于提供同样力学性能所需材料的经济效益（性价比，生产能耗比等）更高；但是在进一步进行形状设计之前，需要明确该结构设计上的重大变化对形状设计产生的影响——这个分析过程是结构优先的设计方法与传统方法的主要不同点所在。
　　首先，同样截面积的竹材的力学性能（拉伸模量，压缩模量等）不如碳纤维。为了满足相同的力学设计要求，竹质叶片的壁厚要比碳纤维叶片的厚，但是壁厚作为结构设计的参数不能用叶片形状的参数表达，所以在形状设计时可以暂时不必考虑，而将该重要的约束条件留在结构设计中进行。
　　其次，竹层积材的加工工艺中为了使较长的竹材在力学性能上有更大的优势，要求叶型在沿叶片长度的方向要避免突变，否则，将不得不采用更多更短然而性能将更差的竹材来拟合叶片的曲面。由此结构设计对形状设计给出的约束可以用叶型参数来描述为“曲率的均方小于给定值”
　　3.3    形状设计
　　通过以上结构分析，我们已经提出了一系列指标集作为结构分析的结果，作为形状设计过程的约束，该约束即为“结构优良叶型”的数学表达。这时形状设计问题即为：
　　通过数学工具，解决以上优化问题，得到在此条件下的最优的叶型设计。
　　3.4    结构设计和结果调整