風機葉片的結構優先設計方法

　　3  案例：材料的革新——竹層積材
　　3.1設計前提：新材料的引入
　　在進行葉片設計的過程中，材料的選擇對于降低成本，提高性價比是很重要的步驟。由于傳統的設計過程第一步只考慮葉片形狀設計，卻忽略了葉片形狀設計給結構設計和造價上帶來的困難，因而不得不采用性能優良但價格昂貴的碳纖維作為主要材料。碳纖維昂貴的價格和目前的供應不足不利于葉片結構設計最小化成本的優化目標，研究人員已經開始探討關于碳-玻璃混合纖維(Carbon Glass fiber hybrid)的可能性[5]，除了廣泛采用的碳纖維和玻璃鋼葉片，天然木材也是葉片制造的可選材料。
　　目前世界上有幾千片兆瓦級木質復合材料葉片（以下簡稱木質葉片）正在運轉，且工作情況良好。木質葉片生產工業于1986年由Jim Platts在英國懷特島首創，1993年NEG Micon首次在兆瓦級風機中使用，2004年Vestas開始使用。木質葉片除了體現出最佳的重量價格比與能耗產出比之外，木質葉片生產技術還降低了生產設備費用和人工費用，提高了生產速度，降低了生產能耗，提高了生產中工人的健康與安全因素。由于使用復合材料比例較小，木質葉片對石油價格浮動的依賴性也相對較小。
　　目前木質葉片所選用的木材主要是芬蘭樺木(Finland Birch)；而全世界唯一比芬蘭樺木更適合做葉片原材料的植物是中國的竹材(Bamboo)。相對于木材，竹材擁有更好的結構性能與更快的生長速度，而且竹材是我國的優勢資源，在我國產量充足，這將進一步降低葉片的價格并提高結構性能。通過與國際竹藤網絡中心合作研究竹材力學性能、疲勞性能、干燥及粘合性能，我們進一步開發了以竹復合板材為主要結構體的葉片制造工藝。
　　本案例即以竹材的引入作為結構優先設計的前提。
　　3.2    結構分析
　　木質葉片/竹質葉片可以作為優良的主體支撐材料，與碳纖維比較，最大的優勢在于提供同樣力學性能所需材料的經濟效益（性價比，生產能耗比等）更高；但是在進一步進行形狀設計之前，需要明確該結構設計上的重大變化對形狀設計產生的影響——這個分析過程是結構優先的設計方法與傳統方法的主要不同點所在。
　　首先，同樣截面積的竹材的力學性能（拉伸模量，壓縮模量等）不如碳纖維。為了滿足相同的力學設計要求，竹質葉片的壁厚要比碳纖維葉片的厚，但是壁厚作為結構設計的參數不能用葉片形狀的參數表達，所以在形狀設計時可以暫時不必考慮，而將該重要的約束條件留在結構設計中進行。
　　其次，竹層積材的加工工藝中為了使較長的竹材在力學性能上有更大的優勢，要求葉型在沿葉片長度的方向要避免突變，否則，將不得不采用更多更短然而性能將更差的竹材來擬合葉片的曲面。由此結構設計對形狀設計給出的約束可以用葉型參數來描述為“曲率的均方小于給定值”
　　3.3    形狀設計
　　通過以上結構分析，我們已經提出了一系列指標集作為結構分析的結果，作為形狀設計過程的約束，該約束即為“結構優良葉型”的數學表達。這時形狀設計問題即為：
　　通過數學工具，解決以上優化問題，得到在此條件下的最優的葉型設計。
　　3.4    結構設計和結果調整