我国风电产业发展快速, 累计风电装机容量已多年位居世界第一, 风电机组的国产化率也不断提高。

叶片是风力发电机组中最基础和最关键的部件，叶片设计中要进行空气动力学计算和结构力学计算等。为了最大限度地利用风能，叶片外形根据空气动力学原理设计而成，为了满足叶片质量轻、刚度大、强度高和耐疲劳等特性，叶片主体部分由复合材料制作而成。

叶片涉及多学科领域 目前，大型风力机叶片通常为复合材料薄壁杆件结构，进行叶片结构设计时应从多方面多学科角度综合考虑结构设计的要求和原则。图中显示风力机叶片结构与多学科密切相关，包括气动、载荷、机械、工艺、材料、检测、维护维修等产品全生命周期。

从结构的角度看，风力机叶片结构分析的关键是“复合材料、薄壁杆件、结构力学”这12 个字。

结构力学

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力学，是分析外部作用(载荷和位移) 与内部响应(应力和应变等) 之间关系的一种分析方法，这也是叶片结构分析的依据。从静力学的角度看，叶片的结构通过合理的简化，经过气动和气弹的仿真，可以得到结构所需承担的外部载荷，将该外部载荷加到叶片结构上，分析各个细部的内部应变，确定未超出许用值。从动力学角度，以上气动和气弹仿真与结构分析过程应该有更深入的流固耦合分析，以目前计算机的计算能力，大多数气动和气弹模型中仅将叶片作为欧拉梁单元简化进行分析，而很少让整个结构的细节模型参与到流固耦合的分析中，由此方法产生的误差，目前在工程上是可行的，也是主流的方法。

结构力学，是一种层层分解的系统化、结构化的力学分析方法。通过工程方法层层细分的分析，或通过有限元方法的分析，亦或通过解析的方法对可解析描述的形状和奇点附近的结构进行分析，都是一种由全局逐步细化的结构化分析方法，对叶片的结构从宏观到微观有一个逐层深入的体现。

薄壁杆件

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杆件，是某一方向的特征尺度远大于另两个方向特征尺度的结构。因为大型的风力机叶片长度为几十米，而宽度(最大弦长) 通常为几米，其展弦比在10 以上，所以可以用杆件的研究方法来研究。杆件的研究中有很多独特的方法，也有很多便于分析的简化，特别是采用梁理论进行简化。如采用欧拉梁理论，利用平面变形假设，将杆件所承担的弯曲与拉压效应和其所承担的剪切与扭转效应进行解耦，将复杂的三维结构求解问题简化为若干个二维等截面结构的求解问题，大大简化了每一个子问题的复杂度，然后再将各个二维求解的结果通过梁理论在三维内进行整合，又获得一个全局的效果。或者说，在对杆件理论理解深刻并简化得当的情况下，可以在全局上将3D 结构解耦为1D 梁和若干个2D 等截面或近似等截面梁。

薄壁，是壁厚方向特征尺度远小于其他方向特征尺度的结构。叶片壳体的厚度为几毫米到100mm(主要是叶根部位) 不等，而叶片的弦长通常在1m 以上(叶尖除外)，所以径向特征尺度与壁厚特征尺度之比远大于10，通常大于30，所以可以用薄壁的研究方法来研究。由于是薄壁，对正应力的计算，可以将各种刚度特征线性叠加，在几何分析时也有很多忽略小量的简化分析方法，从而大大简化计算；对于剪应力的计算，也可以采用薄壁杆件通常使用的剪力流方法来进行研究和分析，将一个二维的平面问题简化为剪力流沿一维曲线的运动，即一维的微分方程，能够快速地进行分析。

在腹板的支撑作用下，整个叶片的大部分区域的截面形式是一种多闭室薄壁杆件。目前，风力机叶片通常采用三闭室薄壁形式，即两腹板的结构形式；在小型的风力机叶片中也有两闭室(单腹板) 或者单闭室(无腹板) 的形式，而更大型的风力机也会考虑采用截面内四闭室(三腹板) 等多闭室结构形式。这种多闭室的结构在杆件结构分析中，也有很多成熟的分析方法。

叶片结构与其他学科的相关性 叶片结构在复合材料叶片开发中属于承上启下的关键技术环节，与气动、气弹、机械、工艺、材料和测试方面都有很密切的关联。

通过以上薄壁+ 杆件，叶片上的三维空间的偏微分方程的求解，已经简化为沿叶片展向若干个独立截面下，若干个一维曲线上物理特性的常微分方程，且方程的自由度较低。自由度的大大降低，提供给工程师一种快速的进行工程计算的可能性。早期的叶片设计，主要是通过手算完成；后来，针对该方法开发了计算机程序；即便在有限元软件已经高度发展的今天，以上薄壁方法仍然作为工程人员经验的重要来源之一，可以避免有限元软件只见云图、不见原理的不足。

需要注意的是，在叶片的某些部位，以上薄壁杆件的前提条件并不成立，或者说存在例外而造成引入的误差会比较大，如对于杆件而言刚度突变或几何不连续的部位附近，如对于薄壁而言厚度突变的部位，如对于多闭室而言尾缘部位的连接方式等，这些特征的存在对直接分析整个结构提出了要求。对于这些部位，有限元分析方法仍然是最快速的分析方法。

复合材料

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复合材料，存在比强度高、比模量高、可设计性强、热稳定性好、高温性能好等优点，但同时存在材料各向异性、材料分散度高、成本昂贵、韧性较差等缺点。整个叶片结构本身为纤维增强复合材料，几乎所有承力构件形式基本都是复合材料结构件，其中叶片承力梁主梁、前缘梁、尾缘梁和无夹芯的蒙皮部位均可作为复合材料层合板；叶片壳体芯材段及整个腹板结构可作为夹芯结构；叶片合模中的前缘、尾缘和腹板缘条黏接可作为胶接结构；叶根通过螺栓与变桨轴承、轮毂连接到一起可作为螺栓连接件。以上层合板结构、夹芯结构、胶接结构和螺栓连接结构四种结构，就是常见的复合材料结构件。对此四种结构的深入研究，可以建立起复合材料力学与风力机叶片结构之间的关系。

复合材料叶片构件    根据风力机叶片的受力特性，一般情况下叶片蒙皮和腹板蒙皮采用双轴布或三轴布铺层，主梁和尾缘梁等梁结构采用单向玻纤布的铺层，叶片外壳和腹板夹芯结构采用芯材，如Balsa 木、PVC 泡沫、PMI 泡沫、PU 硬质泡沫等。叶片整体采用合模黏接，前缘、尾缘和腹板缘条段采用胶接连接。同时，叶片整体需要与变桨轴承、轮毂连接，叶片叶根段采用螺栓连接。

综上所述，“复合材料、薄壁杆件、结构力学”12 个字是风力机叶片结构分析的关键，如下图所示，其中复合材料是材料特性，薄壁杆件是结构形式，结构力学是研究方法，只有充分理解以上理论的精髓，并将理论与实践结合，才能对叶片的结构获得既深入又细致的理解。

复合材料薄壁杆件

《风力机叶片结构设计》基于五大学科基础，采取五种分类原则，逐节逐层介绍叶片结构设计与分析的方方面面。

表   基于五大学科基础的章节划分

风力机叶片结构应涵盖复合材料、构件、设计、校核甚至包括抗冲击、断裂力学这些高级校核, 用全方位的视角, 细致地雕琢叶片的每一部件、每一剖面、每一构件、每一层铺层、每一层纤维与树脂, 甚至可以研究到纤维微观方面的问题。

本文由刘四旦摘编自王同光等著《风力机叶片结构设计》一书“绪论”部分。标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-046216-9

《风力机叶片结构设计》系统地阐述了复合材料型风力机叶片结构应用的设计方法和技术方案，包括风力机叶片复合材料应用、构件、设计、方法、基础校核及高级校核；重点介绍了风力机叶片结构设计校核的方方面面，涉及基础理论、设计方法、结构校核、全尺寸测试；并结合风力机国际标准和规范给出大量设计实例。

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