文|池淞子编辑|池淞子前言随着工业技术的发展和人们生活质量的提高，能源的消耗越来越大，风能作为重要的可再生清洁能源，正在成为新型能源电力系统的主要能源之一，风机叶片是风电机组最关键的部分，其成本约占整个风电机组成本的15%~20%，它的损伤将直接影响风电机组的平稳运行。
随着风电机组逐渐往大型化发展，叶片重量和长度在不断增加，因此对复合材料风机叶片的结构稳定性和强度提出了更高的要求，通过研究复合材料叶片变形、应力应变、材料破坏行为，可为提高叶片结构性能和强度提供指导，同时能为风机叶片无损检测提供参考。
目前国内外对流固耦合、旋转离心力和重力载荷下的风机叶片结构力学特性进行系统性研究比较少，特别是对于全尺寸叶片在流固耦合和重力条件下，复合材料强度失效分析方面的研究几乎还没有涉及。
基于此，本文以1.5MW风机叶片为研究对象，利用CAD软件建立叶片壳体模型，并用ACP模块设计复合材料铺层方法，将CFX计算得到的风压加载至叶片表面，研究气动载荷、离心力以及重力作用下的复合材料叶片变形、应力，重点研究三种载荷对复合材料强度变化的影响。
叶片有限元模型的建立本文的研究对象是1.5MW风力机组叶片，风机叶片沿展向可分为叶根区、过渡区以及气动区，叶根区有较高的结构强度，气动区主要位于叶尖，用于提供强大的气动力。
叶片主梁作为承载挥舞力矩的主要结构，可与叶片内部的双腹板结构共同组成箱型结构，承载扭转和剪切力矩，叶片选用钝尾缘DU40翼型，叶根处采用圆截面以便与轮毂固定，风机叶片截面翼型的弦长和扭角沿展向变化。
叶片长度R为40m，弦长和扭角从叶片根部到叶尖先增大后不断减小，叶片最大弦长为3.198m，最大扭角为12.22˚，从翼型数据库中选择DU40翼型，进行钝尾缘改进后，将翼型坐标数据(x0,y0)转化为以气动中心为原点的坐标(x1,y1)。
假设气动中心坐标为(x,y)，则(x1,y1)=(x0,y0)-(x,y)，结合弦长c，计算得到叶片上各叶素的坐标(x2,y2)=(x1,y1)，然后旋转叶素角度，最后通过平移得到实际空间三维坐标(x3,y3,z)。
最后在Workbench中，通过平面切割的方法在叶片弦长0.26c和0.58c处建立剪切腹板壳体模型，为了便于复合材料铺层，即定义不同位置的材料、铺层层数和方向，对叶片进行了划分,共158个区。
复合材料铺层是大型风机叶片结构设计的关键环节，铺层的优劣将直接影响叶片稳定性和可靠性，实际铺层时应综合考虑刚度、轻度以及结构的稳定性，以便选择合适的铺层材料，设计具体的铺层方法，即确定铺层的角度、顺序以层数。
本文铺层时选用的是环氧树脂玻璃纤维复合材料，由于该材料纤维体积质量分数有差异，因此其可以分为密度不同的轴向布，另有一些辅助材料，如加强材料、PVC和Balsa，复合材料和辅助材料的力学特性参数，其中E为弹性模量，G为剪切模量，PR为泊松比，p为密度。
叶片气动载荷计算叶片在运行过程中，气动载荷既是其动力
