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离心力对风力发电机组叶片结构性能的影响分析羊森林;赵萍;钟贤和;李杰【摘要】The effects of stiffening caused by the rotating centrifugal force on the blade structural properties were studied, basing on one type of MW wind turbine blade. The results show that the natural frequency of blade increase significantly, the displacements and strains decrease obviously due to the effects of rotating centrifugal force. Meanwhile, the blade structure stability was enhanced to some extent. The analysis results have good reference to the design of wind turbine blades in future.%基于某兆瓦级大型风力发电机组，研究了离心力引起的刚化效应对风电机组叶片结构性能的影响。
结果表明，离心力将使叶片的低阶固有频率显著增加，叶片的位移变形和应变显著减小，同时在一定程度上提升了叶片的结构稳定性。
分析结果对后续风电叶片的设计具有参考和借鉴意义。
【期刊名称】《大电机技术》【年(卷),期】2016(000)003【总页数】4页(P54-57)【关键词】风电叶片;离心刚化;频率;应变;结构性能【作者】羊森林;赵萍;钟贤和;李杰【作者单位】东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000;东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000;东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000;东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000【正文语种】中文【中图分类】TM315叶片作为风力发电机组的关键部件之一，随机组功率等级和风轮直径的不断增加，叶片的结构安全性能受到了广泛关注，并有许多学者在该领域进行了研究[1-4]。
引用格式：王晨, 顾永强. 小型风力发电机叶片的红外无损检测研究[J]. 中国测试，2023, 49(7): 35-40. WANG Chen, GU Yongqiang. Research on infrared nondestructive detection of small wind turbine blades[J]. China Measurement & Test, 2023, 49(7):35-40. DOI: 10.11857/j.issn.1674-5124.2022010030小型风力发电机叶片的红外无损检测研究王 晨， 顾永强(内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古 包头 014010)摘 要: 为获得风力发电机叶片现场红外无损检测的最佳光照条件，该文以赋有不同损伤类型及不同损伤程度的2 kW 小型风力发电机叶片为研究对象，利用被动式红外热成像检测方式，在夏季光照充足的室外条件下对损伤叶片进行自然激励，采集红外热像图。
研究结果表明光照强度对损伤检测有着极大的影响，并且得到风机叶片三种典型损伤的最佳检测光照条件，其中异物附着和面部损伤在午间光照强度达到1 000 W/m 2及以上检测效果最佳，而裂纹损伤在晴朗的午后光照强度为900 W/m 2左右检测效果佳，从而证明利用太阳辐射作为发射源的被动式红外热成像检测技术来检测风机叶片损伤的方法在一定光照强度范围之内是可行的。
关键词: 风力机叶片; 无损检测; 红外热成像; 损伤中图分类号: TK83; TB9文献标志码: A文章编号: 1674–5124(2023)07–0035–06Research on infrared nondestructive detection of small wind turbine bladesWANG Chen, GU Yongqiang(School of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)Abstract : In order to obtain the best lighting conditions for on-site infrared nondestructive testing of wind turbine blades, this paper takes 2 kW small wind turbine blades with different damage types and different damage degrees as the research object, and uses passive infrared thermal imaging detection method to perform natural excitation on damaged blades under outdoor conditions with sufficient light in summer, and collect infrared thermal images. The research results show that the light intensity has a great impact on the damage detection, and the best light conditions for the detection of three typical damage of fan blades are obtained.Among them, foreign body attachment and facial damage have the best detection effect when the light intensity reaches 1 000 W/m 2 or above at noon. The crack damage detection effect is good when the light intensity is about 900 W/m 2 in a clear afternoon, which proves that the passive infrared thermal imaging detection technology using solar radiation as the emission source to detect fan blade damage is feasible within a certain light intensity range.Keywords : wind turbine blade; nondestructive detection; infrared thermal imaging; damage收稿日期: 2022-01-06；收到修改稿日期: 2022-03-24基金项目: 内蒙古自治区自然科学联合基金(2018LH05008)作者简介: 王 晨（1997-），男，山西晋城市人，硕士研究生，专业方向为风机叶片的损伤检测。
水平轴风力机叶片的截面与动力特性分析区家隽;李学敏;徐林【摘要】风力机叶片在旋转过程中受重力和离心力作用,产生动力刚化导致固有频率增加.文章以NRELPha-seⅥ风力机叶片为对象,在其内部分别添加圆形腹板、单腹板和双腹板,建立3种不同截面的叶片三维模型,并结合复合材料对叶片铺层进行动力学分析.结果表明,叶片采用的铺层方案能有效避免共振,并且3种叶片模型的重量均接近叶片的真实值.在额定转速下,3种腹板叶片的一阶频率增量随腹板的厚度增加而增加,但在两倍额定转速时,单腹板和圆形腹板的一阶频率增量随腹板厚度增加而减少;同时,腹板中的双轴向玻璃布材料以±45°铺设时,一阶固有频率最大,而由动力刚化引起的一阶频率增量较其他角度小.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2016(034)005【总页数】6页(P681-686)【关键词】复合材料叶片;铺层角度;腹板厚度;离心刚化;坎贝尔图;模态分析【作者】区家隽;李学敏;徐林【作者单位】华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院,湖北武汉430074;华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院,湖北武汉430074;华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TK83随着复合材料在风电领域的应用及生产制造等相关技术的发展，风力发电技术得到不断提高。
叶片是风力机最重要的结构组件之一，叶片在旋转时受到离心力和重力的作用导致动力刚化，表征为固有频率增加。
孙保苍利用500 W小型风力机叶片为研究对象，分析计算叶片各阶模态频率，结果表明当叶片高速旋转时，动力刚化现象对叶片固有频率有较大的影响[1]。
胡国玉基于NREL 5 MW风力发电机叶轮叶片，结合柔性多体动力学理论及有限元分析方法，发现动力刚化效应对挥舞振动频率的影响比对摆振振动频率的影响更明显[2]。
水平轴风力机叶片目前主要由复合材料制造而成。
由于复合材料具有质量轻，高强度比等特征，使得风力机叶片能够承受更大的气动载荷[3]。
风力发电叶片铺层流程Wind turbine blades are crucial components of wind power generation, as they are responsible for capturing the kinetic energy of the wind and converting it into mechanical energy. 风力发电叶片是风电发电的关键组成部分，它们负责捕捉风的动能并将其转化为机械能。
The process of laying the layers of wind turbine blades is a critical step in ensuring the structural integrity and operational efficiency of the blades. 风力发电叶片铺层的流程是确保叶片结构完整性和运行效率的关键步骤。
It involves the careful placement of multiple layers of materials, such as fiberglass and resin, to create a strong and aerodynamic blade. 它涉及多层材料（如玻璃纤维和树脂）的谨慎放置，以创造坚固和流线型的叶片。
The first step in the process of laying wind turbine blade layers is the preparation of the molds that will shape the blades. 风力发电叶片铺层流程的第一步是准备将成型叶片的模具。
These molds are typically made of metal or composite materials and are designed to the exact specifications of the wind turbine blade. 这些模具通常由金属或复合材料制成，并按照风力发电叶片的精确规格设计。
纤维增强材料在风机叶片上的应用努兰·苏力坦汗;孙文磊【摘要】The profile of wind power generation at home and abroad was introduced. The glass fiber and carbon fiber used in the wind turbine blades as reinforced materials were mainly described. The mechanical properties and making processes of the two materials were addressed as well as. With the development of large-sized blades, carbon fiber with its high strength, high modulus and lower density will be widely used in the manufacture of the wind turbine blades. International carbon fiber industry situation and development trend of carbon fiber in our country were analyzed.%概述了国内外风力发电现状，对目前用于风力发电机叶片的主要增强材料玻璃纤维和碳纤维作了介绍，并对它们的力学性能和制备工艺进行了分析。
阐述了随着风机叶片的大型化，碳纤维因其具有高强度、高模量和低密度等特点，将逐步被广泛应用于叶片制造业。
探讨了国际碳纤维产业的发展情况和我国碳纤维生产现状及发展趋势。
【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2015(000)011【总页数】3页(P16-18)【关键词】风力发电;玻璃纤维;碳纤维【作者】努兰·苏力坦汗;孙文磊【作者单位】新疆大学化学与化工学院，新疆乌鲁木齐 830046;新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐 830047【正文语种】中文【中图分类】TM315随着全球应对气候变化呼声的日益高涨以及能源短缺，能源供应安全形势的日趋严峻，新能源产业已呈现出太阳能、生物质能和风能发电三足鼎立的基本格局。
考虑气动弹性的风力机叶片外形优化设计李松林;陈进;郭小锋;孙振业【摘要】In this paper, we establish a novel aerodynamic model that considers the influence of aeroelasticity. In this model, we introduce a new quantity-the twisting angle of a loaded blade. We also propose an optimization mod⁃el that maximizes the wind power coefficient at the wind speed is proposed for the pitch regulation wind turbine. We defined the chord length and twist angle distributions as design variables, and then established the mathematical op⁃timization model for considering aeroelasticity for an 850 kW wind turbine blade. Lastly, we designed a wind tur⁃bine blade using a genetic algorithm. The optimization results show that, compared with the reference blade, the maximum power coefficient of the optimized blade was improved, and the output power of the optimized blade in⁃creased at most by 23 kW while reducing the mass. This proposed design method provides a theoretical foundation for designing high⁃performance and low⁃cost wind turbine blades.%针对气动弹性对风力机性能的影响，引入叶片受载时的扭转角，建立了考虑气动弹性的风力机空气动力学模型。
第一作者:张旺ꎬ硕士ꎬ工程师ꎬ研究方向竹基复合材料ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｚｈａｎｇｗａｎｇ＠ｔｕｓｅｎｅｒｇｙ ｃｏｍꎮ通信作者:杜瑛卓ꎬ硕士ꎬ研究员ꎬ研究方向为复合材料ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｄｕｙｉｎｇｚｈｕｏ＠ｔｕｓｅｎｅｒｇｙ ｃｏｍꎮ竹基风力发电机叶片技术及其在竹材工业化中的应用前景张㊀旺㊀杜瑛卓∗㊀雷㊀蕾㊀龙彧君㊀ＡｎｄｙＬｅｖｅｒｓ(宜宾市启迪竹创园科技有限公司四川宜宾６４４０００)摘㊀要:竹子生长快㊁强度高㊁分布广泛㊁绿色环保ꎮ但在全球范围内对竹子的高附加值应用还处于相对初级阶段ꎬ而且工业自动化水平较低ꎮ竹基复合材料风力发电机叶片代表了目前竹材工业化应用的较高技术水平ꎬ该产品通过解决竹材离散性大㊁易开裂变形㊁与金属材料连接的稳定性差等难题ꎬ为竹材应用于更多工业级产品提供了可能ꎮ文章从竹材离散性控制㊁疲劳性能测试㊁连接设计㊁一体化结构设计以及质量控制等方面阐述了竹基复合材料风力发电机叶片技术研发中的重点与难点ꎬ期望这些技术能够为竹材的工业化应用带来启发和借鉴ꎮ关键词:竹材ꎻ工业化应用ꎻ竹基复合材料ꎻ风力发电机叶片ＤＯＩ:１０.１２１６８/ｓｊｚｔｔｘ.２０２２.０４.００３开放科学(资源服务)标识码(ＯＳＩＤ):㊀Ｂａｍｂｏｏ￣ｂａｓｅｄＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅＢｌａｄｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏＢａｍｂｏｏＴｉｍｂｅｒＩｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎＺｈａｎｇＷａｎｇꎬＤｕＹｉｎｇｚｈｕｏ∗ꎬＬｅｉＬｅｉꎬＬｏｎｇＹｕｊｕｎꎬＡｎｄｙＬｅｖｅｒｓ(ＴＵＳＢａｍｂｏｏＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＰａｒｋＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ ꎬＬｔｄ ꎬＹｉｂｉｎ６４４０００ꎬＳｉｃｈｕａｎꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂａｍｂｏｏｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｆａｓｔｇｒｏｗｔｈꎬｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈꎬｗｉｄｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｆｒｉｅｎｄｌｉｎｅｓｓ.Ｈｏｗｅｖｅｒꎬｔｈｅｖａｌｕｅ￣ａｄｄｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｂａｍｂｏｏｏｎａｇｌｏｂａｌｓｃａｌｅｉｓｓｔｉｌｌａｔａｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｅａｒｌｙｓｔａｇｅꎬａｎｄｔｈｅｂａｍｂｏｏｉｎｄｕｓｔｒｙａｕｔｏｍａｔｉｏｎｉｓａｔａｌｏｗｌｅｖｅｌ.Ｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓｐｒｏｄｕｃｅｄｗｉｔｈｂａｍｂｏｏ￣ｂａｓｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｒｅｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｈｉｇｈｔｅｃｈｎｉｃａｌｌｅｖｅｌｆｏｒｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｂａｍｂｏｏｔｉｍｂｅｒ.Ｔｈｉｓｐｒｏｄｕｃｔｏｐｅｎｓａｄｏｏｒｆｏｒｂａｍｂｏｏｔｏｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｍｏｒｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ￣ｇｒａｄｅｐｒｏｄｕｃｔｓｂｙｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｓｕｃｈａｓｌａｒｇｅｄｉｓｃｒｅｔｅｎｅｓｓꎬｅａｓｙｔｏｃｒａｃｋａｎｄｄｅｆｏｒｍꎬａｎｄｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈｍｅｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ.Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｅｘｐｏｕｎｄｓｔｈｅｋｅｙｃｈａｌｌｅｎｇｅｓａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｉｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｂａｍｂｏｏ￣ｂａｓｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｂａｍｂｏｏｄｉｓｃｒｅｔｅｎｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌꎬｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｉｎｇꎬｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎꎬｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｑｕａｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌ.Ｉｔｉｓｈｏｐｅｄｔｏｉｎｓｐｉｒｅｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｂａｍｂｏｏｔｉｍｂｅｒ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｂａｍｂｏｏｔｉｍｂｅｒꎬｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎꎬｂａｍｂｏｏ￣ｂａｓｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌꎬｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ㊀㊀木质复合材料风力发电机叶片(以下简称 风电叶片 )是天然纤维工业化应用的经典之作[１－２]ꎮ２０世纪８０年代ꎬ欧洲复合材料风电叶片工业的创始人ＪｉｍＰｌａｔｔｓ教授在英国怀特岛创建了木质复合材料叶片生产基地ꎬ以芬兰桦木复合材料为主要原材料制造风力发电机叶片ꎬ并获得成功ꎮ２００４年木复合材料风电叶片技术被丹麦风电巨头维斯塔斯公司(Ｖｅｓｔａｓ)收购ꎻ在此之前ꎬ木质复合材料风电叶片已经批量生产超过１万片ꎬ约占当时全球风电叶片市场数量的１０％ꎬ最大功１１率可达５０００ｋＷꎬ同样是当时风电叶片的最大容量ꎮ可见ꎬ木质复合材料风电叶片技术已经非常成熟ꎮ２００５年ＪｉｍＰｌａｔｔｓ教授到中国调研ꎬ发现中国的竹材在材料特性上更适合作为风电叶片的主要材料ꎬ可使风电叶片整体设计达到更优的性价比ꎮ在此后的１０余年ꎬＪｉｍＰｌａｔｔｓ带领中国的团队先后与风电产业和竹产业的龙头企业合作ꎬ并得到了中国国家能源局和中国风能协会的支持ꎬ研制的功率１５００ｋＷ直径８２ｍ的竹风电叶片先后通过了静载测试㊁振动测试和疲劳测试ꎬ于２０１０年装机并稳定运行至今ꎮ竹基风电叶片技术的开发解决了竹材力学性能离散性高和易开裂变形等问题ꎬ为竹材工业化应用开辟了新领域ꎮ本文拟介绍竹基复合材料风电叶片技术研发的重点和难点ꎬ重点概述在克服竹材力学性能的离散性㊁疲劳性能测试以及连接设计和质量控制等方面的关键技术ꎬ希望这些技术能够为竹材的工业化应用带来启发和借鉴ꎮ１㊀竹材力学性能离散性控制竹材力学性能的离散性是阻碍其工业化应用的一个重要因素[３]ꎮ在工业产品的结构设计中ꎬ结构材料可能出现的最低性能是必须要考虑的ꎮ比如在设计风电叶片的结构时ꎬ所用材料的强度值并不是平均值ꎬ而是特征值(中国标准)或者是用平均值减去３倍方差(英国标准)ꎮ因此ꎬ即便竹材的平均力学强度非常高ꎬ但由于离散性过高而导致标准方差大㊁特征值低ꎬ在实际设计中只能使用较低的强度值ꎮ因此ꎬ为实现竹材的工业化应用ꎬ首先就要克服竹材性能的离散性ꎮ其中ꎬ测试标准㊁竹材选择和含水率是引起竹材性能离散性的３个最主要因素ꎮ１ １㊀测试标准新材料应用首先需要明确测试标准ꎮ由于测试标准不同ꎬ测试所得的材料力学性能值也会不同ꎮ然而ꎬ测试结果应能够真正代表该材料的最真实性能ꎮ这意味着不同测试标准所获得的结果之间应该有一定规律可寻ꎬ相互之间能够进行比对换算ꎻ或者在不同测试标准中只有一个最适合用来测试该种材料ꎮ由于竹材与木材在性能上高度相似ꎬ因此工业上竹材的测试标准普遍来自木材ꎮ在竹材应用于风电叶片之前ꎬ很少有人按照风电叶片的设计标准测试竹材的力学性能ꎬ因此实验中出现了木材的测试方法不适用于竹材的现象ꎮ比如ꎬ实验的竹材试件其拉伸强度高达４００ＭＰａ以上ꎬ远高于木材(通常为１００~２００ＭＰａ)ꎻ同时竹材试件的表面较木材更光滑ꎬ在测试中多次出现试件还未拉断夹具就已经与试件脱落的情况ꎬ因此必须调整夹具ꎬ才能获得更准确并且更高测试成功率的实验结果ꎮ此外ꎬ竹材的弹性模量高达３０ＧＰａ以上ꎬ同样由于表面比较光滑ꎬ使得测试结果离散性很高ꎮ实验初期ꎬ经常出现这样的情况:即使是同一个人用相同设备前后进行２次测试ꎬ所得结果也能相差５％以上ꎮ经过反复实验发现ꎬ竹材拉伸破坏强度(ＵＴＳ)的平均值和特征值以及弹性模量的平均值宜采用美国试验与材料协会标准(ＡＳＴＭ)Ｄ３５００测定ꎬ竹材压缩破坏强度(ＹＣＳ)的平均值和特征值以及弹性模量的极限值宜采用ＡＳＴＭＤ３５０１测定ꎬ而竹材密度的平均值和极限值以及含水率的极限值宜采用中国国家标准ＧＢ/Ｔ１７６５７测定ꎮ基于实验研究结果ꎬ制定了«风力发电机叶片竹纤维复合材料的认证技术规范»ꎮ１ ２㊀竹龄和取材部位影响竹材力学性能的因素有很多ꎬ比如竹种㊁种植地点㊁竹龄㊁取材部位等ꎮ对这些因素控制的越精细ꎬ竹材性能的离散性就越小ꎬ就越能接近工业级原材料ꎬ但随之而来也会增加原材料的成本ꎮ这就需要在性能和成本之间进行权衡ꎮ毛竹是中国竹材产量最高的用材竹种ꎮ对毛竹材力学性能测试结果显示ꎬ６年生毛竹的性能明显优于２年㊁４年和８年生毛竹ꎻ在取材部位上ꎬ竹秆中部的力学性能明显优于基部和稍部ꎬ其中以距离基部２~６ｍ的部位为最佳ꎮ由于竹材靠近表层的竹青部位密度大㊁强度高ꎬ靠近内层２１的竹黄部位密度小㊁强度低ꎬ因此表层竹篾最适合做风电叶片的原材料ꎮ对于竹篾的厚度ꎬ实验结果显示ꎬ当竹篾厚度小于１ ０ｍｍ时ꎬ加工难度和加工成本显著增加ꎻ而当厚度大于２ ５ｍｍ时ꎬ力学性能则显著下降ꎮ综合权衡性能与成本ꎬ以厚度１ ５~２ ０ｍｍ的竹篾最适合作为制作层积材的原材料ꎮ竹子的生长地点也会影响竹材的力学性能ꎬ比如生长在阳坡的竹子和生长在阴坡的竹子其力学性能存在着差异ꎮ但实验中性能最优的方案往往在商业化过程中并不可行ꎬ因为在工业化生产中还需要考虑制造成本和质量控制ꎮ事实上ꎬ中国竹材产业链上的整体机械自动化水平较低ꎬ比如层积材的组丕工艺仍需依靠人工完成ꎮ工业自动化在产业中的缺失ꎬ导致整体质量控制水平难以达到工业级原材料的要求ꎮ虽然竹材在原材料成本上有一定优势ꎬ但在转化为工业级原材料时质量控制成本会显著增加ꎬ从而使得竹材在与金属材料㊁复合材料以及木材的竞争中并不具备优势ꎮ１ ３㊀竹材含水率竹材含水率对其性能离散性的影响极大ꎮ竹材的体积㊁密度㊁强度㊁弹性模量乃至疲劳强度都会受到含水率的影响[４－５]ꎮ在竹材的各种性能参数中ꎬ弹性模量受含水率的影响尤其大ꎮ在不考虑绝干的情况下ꎬ竹材含水率越高其弹性模量越低ꎮ弹性模量是很多产品结构设计中最关键的参数之一ꎮ在风电叶片的结构设计中ꎬ如果弹性模量降低会导致叶片的变形量增大ꎬ以至于会发生叶片打塔的风险ꎮ因此ꎬ控制竹材全寿命的含水率是竹材工业化应用中的关键因素ꎮ在竹叶片设计中ꎬ为使竹材具有较高的㊁稳定的弹性模量ꎬ竹材含水率应控制在６％以下ꎮ２㊀竹材疲劳性能测试２ １㊀竹材疲劳测试由于目前竹材疲劳测试没有统一的标准ꎬ为了使之能与玻璃纤维材料进行比较ꎬ竹材疲劳测试通常参考玻璃纤维复合材料的疲劳测试标准[６]ꎮ在给定应力比Ｒ＝－１的条件下ꎬ施加不同的应力Ｓꎬ进行疲劳试验ꎬ记录相应的寿命Ｎꎬ然后将数据拟合分析得出Ｓ－Ｎ曲线ꎮ竹材疲劳测试时遇到的突出问题是ꎬ最先破坏的部位往往是在试件两端的夹持部位ꎬ为了能使最先破坏的部位发生在试验段ꎬ对试件两端采取了保护措施ꎬ即在试件两端套上铝制加强夹具ꎬ同时需要保证夹具端面与竹材端面对齐ꎬ两端的夹具和竹材中心需要同一条直线ꎬ最后再灌注树脂固化成型ꎮ通过对比竹材与环氧玻璃钢材料的Ｓ－Ｎ曲线显示ꎬ竹材疲劳性能明显优于环氧玻璃钢ꎮ在风电叶片行业ꎬ环氧玻璃钢的疲劳性能常数ｍ通常为１０ꎬ而竹材的ｍ值可达到１５ꎮ２ ２㊀竹风电叶片疲劳性能风电叶片疲劳测试需满足«风力发电机组风轮叶片全尺寸结构试验»(ＩＥＣ６１４００ ２３)㊁«风力发电机组风轮叶片标准»(ＪＢ/Ｔ１０１９４ ２０００)和德国劳埃德船级社风能股份有限公司(ＧＬｗｉｎｄ)«风力发电机组认证指南»的要求ꎮ风电叶片疲劳分析的主要步骤是:先确定材料的Ｓ－Ｎ曲线和Ｇｏｏｄｍａｎ曲线ꎬ然后利用专业软件计算出叶片各截面的马可夫矩阵ꎬ再结合Ｓ－Ｎ曲线㊁Ｇｏｏｄｍａｎ曲线和马可夫矩阵ꎬ计算出该截面可承受的循环次数ꎬ最后根据米勒准则计算该截面累计疲劳损伤寿命ꎮ２００９年采用共振法测试了１５００ｋＷ直径８２ｍ的竹风电叶片的疲劳性能ꎬ满足了上述各标准的要求ꎬ并获得鉴衡认证的认证报告ꎮ风电叶片的疲劳性能取决于叶片主要材料的疲劳性能ꎬ竹材是竹叶片中最主要的材料ꎬ因此竹叶片的疲劳性能也明显优于玻璃钢叶片ꎮ３㊀竹材连接设计目前全球最长的海上风电叶片长度已经超过１００ｍꎮ即使是陆上风场使用的风电叶片ꎬ长度也普遍在４０ｍ以上ꎮ竹板材的标准长度在２~３ｍꎬ而风电叶片是通过模具进行一体化成型的ꎬ叶片根部通过螺栓与风力发电机组的轮毂相连接ꎬ因３１此需要考虑竹材与竹材之间的连接ꎬ以及竹材与金属材料(螺栓套)之间的连接ꎮ即使是竹自行车㊁建筑梁这类竹产品ꎬ同样要考虑竹材之间的连接以及竹材与金属材料之间的连接ꎮ因此ꎬ连接设计是竹材工业化应用中的一项关键技术ꎮ传统的金属材料工艺设计通常会考虑螺栓㊁套筒㊁焊接等机械连接方式ꎮ然而复合材料与金属材料的一个重要区别是依靠其内部纤维结构而形成的各向异性力学性能ꎮ这意味着一旦内部纤维被切断就会严重影响复合材料的力学性能ꎮ因此ꎬ复合材料广泛使用粘接方式连接代替金属材料的机械连接ꎮ３ １㊀风电叶片中竹材与竹材的连接设计在粘接方式的连接中ꎬ粘接强度与粘接面积呈正比ꎬ与胶粘剂的厚度呈反比ꎮ因此在粘接设计中应增大粘接面积㊁控制胶层厚度ꎮ与木材的连接方式一样ꎬ竹材的连接通常有斜接和指接２种方式ꎮ风电叶片整体有一定曲率ꎬ不宜使用厚度过大和长度过长的竹条ꎬ因此竹条和竹条之间的连接主要选择斜接方式ꎮ斜接的角度越大ꎬ则粘接面积越大ꎬ粘接强度也就越高ꎮ斜截面的粘接强度必须大于竹材自身的拉伸强度ꎬ以确保断裂破坏不会出现在粘接面上ꎮ通过测试不同斜接角度的粘接强度ꎬ最终按照斜率为１/２５确定了斜接角度ꎮ另一方面ꎬ斜接角度过大又会造成过高的材料损耗ꎬ导致材料成本增加ꎬ采用错位组丕法(图１)则可降低材料浪费ꎮ图１㊀竹材不同组坯方式Ｆｉｇ １㊀Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｓｓｅｍｂｌｅｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｂａｍｂｏｏ３ ２㊀竹材与叶根螺栓的连接设计竹材与叶根螺栓金属材料的连接(图２)ꎬ除了必须考虑粘接强度外ꎬ还要考虑粘接面两侧材料的刚度不一致而可能导致的应力集中问题ꎮ竹材和金属材料的连接设计因产品不同而不同ꎬ总体的设计原则应遵循:１)增大粘接面积ꎬ具体方式可以通过增加粘接区域的面积㊁金属表面增加螺纹或喷砂等ꎻ２)在工艺上避免胶层过厚ꎬ且保证胶层厚度均匀一致ꎻ３)优化结构设计ꎬ避免应力集中ꎬ复杂产品可以通过有限元进行分析ꎬ简单产品可以根据经验设计ꎻ４)反复测试ꎬ确保粘接强度高于材料自身的断裂强度ꎮ４㊀风电叶片的整体结构设计竹叶片中上下壳体铺放高强竹条ꎬ上下壳体通过与双腹板粘接而形成一个类似于 口 字型的结构作为主体结构(图３)ꎬ承载叶片绝大部分图２㊀叶根螺栓与竹材粘接Ｆｉｇ ２㊀Ｂｌａｄｅｒｏｏｔｂｏｌｔｓｂｏｎｄｅｄｔｏｔｈｅｂａｍｂｏｏ的载荷ꎬ而玻璃钢叶片为上下壳体中的梁帽与腹板粘接形成的类似于 Ｉ 字型的结构作为主体结构ꎮ４１图３㊀竹叶片主体结构Ｆｉｇ ３㊀Ｍａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｂａｍｂｏｏｂｌａｄｅ㊀㊀玻璃钢叶片的梁帽是等宽度㊁变厚度(图４)ꎬ梁帽两侧需要填充大量的高价格的巴莎木和ＰＶＣ芯材ꎬ导致叶片整体成本偏高ꎻ竹叶片中竹材是等厚度㊁变宽度(图５)ꎬ由于竹材铺放多ꎬ所以大大减少了巴莎木和ＰＶＣ芯材的用量ꎬ进而降低了叶片的整体成本ꎮ玻璃钢叶片 Ｉ 字型的结构与叶根相连ꎬ叶片上的载荷传导到叶根时会产生较大的应力集中ꎬ这就使得叶根结构必须过度安全以抵消应力集中ꎬ竹叶片是 口 字型的结构与叶根相连接ꎬ可以使得叶片上的载荷向叶根传导更为合理ꎮ因此竹叶片的整体结构要优于玻璃钢叶片ꎮ图４㊀玻璃钢叶片Ｆｉｇ ４㊀Ｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｂｌａｄｅ图５㊀竹纤维风电叶片Ｆｉｇ ５㊀Ｂａｍｂｏｏｆｉｂｅｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ５㊀质量控制在传统金属制造企业和复合材料制造企业中并不需要对材料含水率进行特殊控制ꎮ但在竹材工业化应用中ꎬ控制竹材全寿命含水率则是质量控制中的重中之重ꎮ在竹材制备过程中ꎬ可以通过烘干工艺来降低竹材含水率ꎮ这对绝大多数竹材制造企业来说是容易做的ꎻ但要使竹产品全寿命过程中的含水率保持稳定则并非易事ꎮ具体到竹风电叶片制造ꎬ应保障以下阶段的质量控制:１)工厂在完成板材制造和烘干后ꎬ要把板材存放于恒温恒湿的平衡房ꎬ确保库存产品含水率稳定ꎻ２)在板材运输过程中要保存于密闭环境ꎬ５１比如表面包裹保鲜膜ꎬ确保途中产品含水率稳定ꎻ３)竹材入库前必须做含水率抽检ꎬ符合含水率检测要求才能入库ꎻ４)竹材在叶片厂的原材料库中ꎬ从保鲜膜取出后到叶片完成制造前ꎬ要保持处于低湿度环境ꎬ以确保含水率稳定ꎻ５)叶片制造必须选择密封性足够好的基体材料(树脂)ꎬ基本要求是分子间空隙距离小于水分子直径(比如环氧树脂)ꎬ以确保竹材内部水分子不会与外部空气中的水分子进行交换ꎻ６)在竹材外面必须有至少１层表面硬度足够高的保护层(如玻璃钢)ꎬ以保护固化后的基体材料(树脂)不被风沙所破坏ꎻ７)对叶片进行定期检查ꎬ表面出现严重破坏时要及时修补ꎮ由于玻璃纤维㊁碳纤维等传统复合材料的吸水性非常低ꎬ在绝大多数复合材料产品制造工厂都从未考虑过对材料含水率的控制ꎮ在转型生产竹基复合材料产品时ꎬ不仅需要增加控制含水率所需要的专业设备ꎬ相应改善生产环境ꎬ更需要建立相应的质量保障和质量检测流程ꎮ在大批量生产之前ꎬ这应是竹材工业化应用的重点环节之一ꎮ６㊀技术应用展望在过去２０年间ꎬ中国在风力发电产业链的各个环节上几乎都已经遥遥领先于全球制造业ꎬ其中叶片产量约占全球总产量的５０％ꎬ最长的海上风电叶片长度已经达到１００ｍ以上ꎬ认证㊁测试㊁供应链等环节日益完善ꎮ竹叶片在回收环保方面具有优势ꎬ但从性能到成本不再具有优势ꎮ随着中国风电叶片的单机容量㊁产能㊁产量的不断扩大ꎬ竹叶片替代玻璃钢叶片和碳纤维叶片的可能性也越来越小ꎮ然而在竹叶片研发过程中所形成的一系列技术已不断被应用于其他高端竹产品中ꎬ同时也为竹材的工业化应用带来启发ꎮ工业级竹自行车(图６)技术用到了竹材的高弹性模量以及竹材与金属的连接技术ꎬ质量可靠性远高于一般手工制造的竹自行车ꎬ可以通过各类传统自行车测试和认证标准ꎬ并且已经具备批量生产的条件ꎮ图６㊀竹基复合材料自行车Ｆｉｇ ６㊀Ｂａｍｂｏｏｂａｓｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｉｃｙｃｌｅ装配式建筑是竹材工业化应用的另一个可能的领域ꎮ天津智慧山广场的户外竹结构建筑 竹之山丘 (图７)申请了吉尼斯世界纪录ꎬ成为全球最大的户外竹结构建筑ꎮ其中的建筑胶合梁用到了竹材的全寿命防水技术ꎬ以确保所有梁柱结构全寿命具有高强度和高弹性模量ꎬ确保建筑５０年的结构安全性ꎮ图７㊀天津智慧山广场的 竹之山丘Ｆｉｇ ７㊀ＢａｍｂｏｏＨｉｌｌｉｎＴｉａｎｊｉｎＷｉｓｄｏｍＨｉｌｌＰｌａｚａ６１㊀㊀然而ꎬ目前工业级竹材料应用于装配式建筑仍面临２个方面的制约ꎮ一方面ꎬ竹材力学性能优于木材ꎬ但因缺乏竹建筑设计标准ꎬ设计时仍需要按照木材建筑标准进行设计ꎮ这意味着竹材料的高性能未被利用ꎬ而仍然要与木材在价格上竞争ꎬ因此难以成为市场的主流ꎮ另一方面ꎬ竹木材料的全寿命含水率控制一直未被建筑行业所重视ꎬ因此从工厂生产到安装现场材料必定会出现一定程度的变形ꎬ从而导致现场安装时必须要增加打磨㊁调整等复杂工序ꎬ从安装效率到安装成本都无法与轻钢龙骨结构的快速安装相比ꎮ如果能在设计标准和质量控制方面借鉴风电产业的技术标准ꎬ工业级竹材装配式建筑完全有可能扩大其市场份额ꎬ成为竹产业的一个新的增长点ꎮ此外ꎬ竹材与木材一样具有良好的绝缘性与保温性ꎬ但由于其具有高强度和高弹性模量的特征ꎬ在很多产品中可以做到更细㊁更薄ꎬ使得其成为一些家居智能硬件的构想成为可能ꎮ这种优势在 百度筷搜 中已经有所体现(图８)ꎬ也完全可能进一步复制到智能地板和智能家居中ꎮ这将需要进一步做好跨行业的科技整合与产业协同ꎮ图８㊀创新竹制品 百度筷搜Ｆｉｇ ８㊀Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｂａｍｂｏｏｐｒｏｄｕｃｔｓ:ＢａｉｄｕＣｈｏｐｓｔｉｃｋｓＳｅａｒｃｈ㊀㊀竹基复合材料风电叶片历经１０余年的研发已告一段落ꎬ但这将不是竹材工业化应用的结束ꎬ而是打开竹材与更多高端工业制造相结合的一个新的开始ꎮ参考文献[１]㊀ＰＬＡＴＴＳＭ.Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎꎬｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔꎬａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆｌａｒｇｅｗｏｏｄ/ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｒｏｔｏｒｓ[Ｒ].１９９０.[２]㊀ＺＵＴＥＣＫＭＤ.Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆｗｏｏｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｒｏｔｏｒｓ[Ｍ].Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ:ＮＡＳＡ.ＬｅｗｉｓＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒＬａｒｇｅＨｏｒｉｚｏｎｔａｌ￣ＡｘｉｓＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅｓꎬ１９８２.[３]㊀ＰＬＡＴＴＳＭＪ.Ｓｔｒｅｎｇｔｈꎬｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｈｉｇｈ￣ｔｅｃｈｂａｍｂｏｏ/ｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓꎬ２０１４ꎬ５(１３):１２８１－１２９０.[４]㊀杨永福ꎬ习宝田ꎬ李黎.竹材物理性质对切削力影响的研究[Ｊ].木材加工机械ꎬ２００５(２):１－５.[５]㊀谢九龙ꎬ齐锦秋ꎬ周亚巍ꎬ等.慈竹材物理力学性质研究[Ｊ].竹子研究汇刊ꎬ２０１１ꎬ３０(４):３０－３４.[６]㊀赵德方ꎬ阳玉球ꎬ张志远ꎬ等.玻璃纤维毡增强复合材料的低周拉伸疲劳性能研究[Ｊ].玻璃钢/复合材料ꎬ２０１６(５):４１－４７.７１。
