复合材料风力发电机叶片的结构分析

摘要整理

本研究通过有限元分析（FEA）对比研究了碳纤维增强复合材料（CFRP）和玻纤增强复合材料（GFRP）风力发电机叶片的结构力学性能。建立了叶片展长37 cm、轮毂到叶尖半径210 mm的三叶螺旋桨模型，在CATIA中建模后导入ANSYS Workbench进行分析。静力学仿真工况为均匀外表面压力0.00012 MPa、旋转速度2 rad/s、轮毂固定约束条件。分析指标包括总变形、von Mises应力和等效应变。通过网格独立性验证确保结果可靠性，采用高质量四面体网格并在轮毂-叶片连接处进行局部加密。研究结果表明CFRP相比GFRP具有优越的力学性能：最大变形0.011 mm、峰值von Mises应力0.125 MPa、应变0.00020 mm/mm；而GFRP的变形（0.014 mm）、应力（0.132 MPa）和应变（0.00035 mm/mm）均较高，反映出其刚度较低、疲劳风险更大。轮毂-叶片连接处始终为应力集中的临界区域。CFRP因其高刚度和低密度优势提供了更好的结构完整性和疲劳寿命，但成本较高可能限制大规模应用；GFRP则为中小载荷应用提供了经济有效的选择。研究建议根据性能需求进行材料选型，并提出了混杂层合板、动载荷建模、热耦合分析和试验验证等后续研究方向。

相关论文