GB/T 25383-2010 风力发电机组 风轮叶片
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资料介绍
ICS 27. 180 F 11
中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准
GB/T 25383—2010
风力发电机组 风轮叶片
Wind turbinegeneratorsystem—Rotorblades
2010-11-10发布 2011-03-01实施
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会
发
布
GB/T 25383—2010
目 次
前言 Ⅰ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 1
4 缩略语 2
5 设计环境条件 2
6 设计要求 3
7 材料要求 3
8 制造控制 5
9 工艺要求 5
10 检验规则和验收 6
11 标识和随机文件 7
12 包装 、贮存 、运输和吊装 7
附录 A (规范性附录) 叶片结构强度分析方法 9
GB/T 25383—2010
前 言
本标准的编写 参 考 了 IEC 61400-1(2005年 8 月 第 3 版) 风 力 发 电 机 组—第 1 部 分 : 设 计 要 求 、 IEC TS 61400-23( 2001 年 4 月 第 1 版 ) 风 力 发 电 机 组—第 23 部 分 : 风 轮 叶 片 全 尺 寸 试 验 、
IEC TR 61400-24 (2007年 4 月第 1 版)风力发电机组—第 24部分 : 防雷 、近海风力发电机组认证规范(德国船级社(2005版)和陆上及近海风力发电机组风轮叶片设计及制造(DNV-OS-J102)2006年版等标准 ,对风力发电机组风轮叶片的设计 、制造工艺 、材料 、检验规则以及叶片的包装 、运输和贮存等有关内容给出了通用性技术要求 ,供国内开发研制风力发电机组风轮叶片参照执行 。
本标准的附录 A 为规范性附录 。
本标准由中国机械工业联合会提出 。
本标准由全国风力机械标准化技术委员会(SAC/TC50)归 口 。
本标准主要起草单位 : 中航惠腾风电设备股份有限公司 、上海玻璃钢研究院 、连云港中复连众复合材料集团有限公司 、金风科技股份有限公司 。
本标准主要起草人 : 田野 、田卫国 、姜兆民 、庄岳兴 、赵建立 、王逸波 、陈余岳 、刘卫生 、王相明 。
Ⅰ
GB/T 25383—2010
风力发电机组 风轮叶片
1 范围
本标准规定了风力发电机组风轮叶片的通用技术条件 。
本标准适用于风轮扫掠面积等于或大于 40 m2 的水平轴风力发电机组风轮叶片 。
2 规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款 。凡是注 日期的引用文件 ,其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准 ,然而 ,鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本 。凡是不注日期的引用文件 ,其最新版本适用于本标准 。
GB/T 1447 纤维增强塑料拉伸性能试验方法(GB/T 1447—2005,ISO 527-4:1997,NEQ)
GB/T 1448 纤维增强塑料压缩性能试验方法
GB/T 1449 纤维增强塑料弯曲性能试验方法 (GB/T 1449—2005,ISO 14125:1998,NEQ)
GB/T 1463 纤维增强塑料密度和相对密度试验方法 (GB/T 1463—2005, ASTM D 792: 1998, NEQ)
GB/T 2576 纤 维 增 强 塑 料 树 脂 不 可 溶 分 含 量 试 验 方 法 (GB/T 2576—2005, ISO 308: 1994, MOD)
GB/T 2577 玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法(GB/T 2577—2005,ISO 1172:1996,MOD) GB/T 2900. 53 电工术语 风力发电机组(GB/T 2900. 53—2001,IEC 60050-415:1999,IDT) GB/T 3354 定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法
GB/T 3355 纤维增强塑料纵横剪切试验方法
GB/T 3356 单向纤维增强塑料弯曲性能试验方法
GB/T 3856 单向纤维增强塑料平板压缩性能试验方法
GB/T 3961 纤维增强塑料术语
GB/T 19001 质量管理体系 要求(GB/T 19001—2008,ISO 9001:2008,IDT)
GB/T 25384 风力发电机组 风轮叶片全尺寸结构试验(GB/T 25384—2010,IEC TS 61400-23- 2001,MOD)
GB/Z 25427 风力发电机组 雷电防护(GB/Z 25427—2010,IEC TR 61400-24-2002,MOD)
ISO 12944. 3 涂料和油漆— 用保护涂料进行钢结构防腐 第 3部分 :设计依据
ISO 12944. 5 涂料和油漆— 用保护涂料进行钢结构防腐 第 5部分 :涂料保护系统
IEC 61400-1:2005 风力发电机组 第 1部分 :设计要求
3 术语和定义
GB/T 2900. 53、IEC 61400-1:2005和 GB/T 3961确立的以及下列术语和定义适用于本标准 。 3. 1
设计寿命 design lift
在设计工况下的设计使用年限 。
3. 2
风轮 rotor
将风能转化为机械能的风力机部件 , 由叶片和轮毂组成 。
1
GB/T 25383—2010
3. 3
叶片 blade
使风轮旋转并产生气动力的部件 。
3. 4
参考几何弦 referencechord
指在叶片设计过程中叶片展向某一确定位置处的几何弦 , 叶片其他位置的几何弦以此位置为参考 。一般定义为 0°位置 , 即该处几何弦与风轮旋转平面平行 。
3. 5
扭角 twistangle
叶片当地几何弦与叶片参考几何弦的夹角 。
3. 6
中弧线 median line
翼型上下表面内切圆圆心光滑连接起来的曲线 。在前部 ,最小内切圆与翼型周线的切点是中弧线的起点 ;在后部 ,最小内切圆与翼型周线的切点是中弧线的终点 。
3. 7
前缘 leading edge
翼型中弧线的最前点 。
3. 8
后缘 tailing edge
翼型中弧线的最后点 。
3. 9
弦线 chord
连接前缘与后缘的直线 。
3. 10
弦长 chord length
弦线的长度 。
3. 11
重心 thecentreofgravity
在重力场中 ,物体处于任何方位时 ,所有各组成质点重力的合力通过的那一点 。
4 缩略语
叶片 风力发电机组 风轮叶片
复合材料 纤维增强塑料
5 设计环境条件
5. 1 总则
风力发电机组风轮叶片是一种全天候条件下运行的产品,设计和制造叶片时应考虑环境因素对其设计寿命的影响 。
5. 2 温度
叶片工作环境温度范围 -10 ℃ ~ +40 ℃ ,生存工作温度范围 -20 ℃ ~ +50 ℃ ,超出上述规定范围的 ,按 S级处理 。
5. 3 湿度
叶片设计工作环境最高相对湿度一般小于或等于 95% 。
2
GB/T 25383—2010
5. 4 雷电防护
应考虑叶片遭雷击的可能性 ,并采取相应的雷电防护措施 ,雷电防护系统按 GB/Z25427《风力发电机组 雷电防护》标准要求进行设计 。
5. 5 盐雾
对于在 沿 海 地 区 运 行 的 风 力 发 电 机 组 , 应 考 虑 盐 雾 对 叶 片 的 腐 蚀 影 响 , 应 根 据 ISO 12944. 3 和ISO 12944. 5标准要求采取相应的防腐措施 。
5. 6 沙尘
应考虑沙尘对叶片的影响 ,如沙尘对叶片表面的长期冲蚀 ,对机械转动部位润滑的影响以及对叶片平衡造成的影响等 。
5. 7 辐射
应考虑太阳辐射和紫外线对叶片的老化影响 。
5. 8 结冰
应考虑叶片表面覆冰对风力发电机组性能和结构安全性的影响 。
6 设计要求
6. 1 气动设计
叶片气动设计是风力发电机组设计的基础 ,推荐根据使用地区的风资源特点 ,进行优化分析 。
6. 2 结构设计
6. 2. 1 叶片结构设计应考虑实际运行环境条件的影响 ,在规定的使用环境条件和设计寿命期内 , 叶片应具有足够的强度和刚度 。
应通过可靠的分析方法和试验验证 ,证明叶片能满足各种设计工况下的极限强度 、疲劳强度和气弹稳定性要求 。
推荐强度分析方法见附录 A。
6. 2. 2 叶片的设计安全系数应大于等于 1. 15。
6. 2. 3 叶片刚度应保证在所有设计工况下叶片变形后叶尖与塔架的安全距离不小于未变形时叶尖与塔架间距离的 40%(见附录 A) 。
6. 2. 4 叶片的固有频率应与风轮的激振频率错开 ,避免发生共振(见附录 A) 。
6. 2. 5 叶片的设计寿命应大于或等于 20年 。 叶片的设计寿命既可以通过计算 ,也可以通过疲劳试验确定 。
6. 3 公差要求
— 叶片长度公差 :1. 0‰×L(mm) ,其中 L为叶片设计长度 ;
— 叶片弦长公差 : ±(1. 0%×c) mm ,其中 c为当地翼型弦长 ;
— 叶片扭角公差 : ±0. 3°;
— 翼型公差 : ±(2‰×c) mm ,其中 c为当地翼型弦长 ;
— 叶片表面粗糙度 :Rz≤15 μm;
— 叶片成套重量互差 : ±3. 0‰ ;
— 叶片成套静矩互差 : ±1. 0‰ 。
7 材料要求
7. 1 总则
7. 1. 1 叶片所用材料应满足设计使用要求,材料的性能指标和化学成分应符合现行有效标准或其他有关技术规范要求 。
7. 1. 2 材料供应商应根据 GB/T 19001标准要求建立有效的质量管理体系 。
3
GB/T 25383—2010
7. 1. 3 材料供应商应提供材料的合格证 、材料数据单 、检验单 、安全数据单和使用说明书 。
7. 1. 4 主要材料和用于重要零部件的材料进厂后应进行性能复验 ,试验类型和范围按技术文件和质量管理体系相关规定进行 。
7. 1. 5 选用的材料应符合当地相关法律法规的要求 。
7. 2 纤维增强塑料
7. 2. 1 树脂
7. 2. 1. 1 复合材料叶片常用的基体树脂根据其化学性质不同分为环氧树脂 、不饱和聚酯树脂 、乙烯基树脂等 。
7. 2. 1. 2 基体树脂在固化状态下有好的防潮性和高的防老化性能 ,能够满足叶片在不同地点运行所承受的温度变化 、紫外线老化 、海水环境腐蚀等要求和足够的抗水解能力 。
7. 2. 2 增强材料
7. 2. 2. 1 复合材料叶片常用的增强材料有玻璃纤维 、碳纤维 、芳纶纤维和其他有机或无机材料纤维及其制品 。
7. 2. 2. 2 纤维表面应有浸润剂 ,纤维表面浸润剂的种类应与基体树脂匹配 。
7. 2. 3 夹芯材料
7. 2. 3. 1 闭孔结构的硬质泡沫塑料可作为夹层板的芯材,应能与所选用的基体树脂和胶粘剂匹配 。
7. 2. 3. 2 夹芯材料应具有防老化 、防海洋环境腐蚀和工业环境影响的能力及低吸水性 。
7. 2. 3. 3 用作芯 材 的 木 材 应 进 行 防 腐 和 杀 虫 处 理 , 并 进 行 消 毒 、均 化 和 烘 干 , 其 平 均 水 分 含 量 不 大于 12% 。
7. 2. 4 胶粘剂
7. 2. 4. 1 纤维增强塑料间或与其他材料间的粘接 ,应使用无溶剂的胶粘剂 ,应使用双组分反应型胶粘剂 。如可能 ,应使用与产品相同性质的树脂 。
7. 2. 4. 2 层合板只能在固化状态下相互粘接 。使用热固性胶粘剂时胶粘剂的放热峰值不能超过层合板的许用温度值 。
7. 2. 4. 3 胶粘剂应具有良好的抗潮湿和抗老化能力 。温度对其强度的影响应尽量小 ,应能在 60 ℃ 以上的环境温度长期使用 。
7. 2. 5 预浸料
预浸料应满足制造组件的要求并适于保存 。
7. 2. 6 外部涂层
外部涂层应具有较好的防紫外线老化性能 、抗海洋环境腐蚀 ,并具有良好的附着力 、耐磨性 、高弹性和低吸水性 。
油漆和胶衣都可用于叶片表面防护的外部涂层 。
填加的颜料应不受气候的影响 ,可由无机或光照不褪色的有机染料组成 。
当使用胶衣时应验证其与基体树脂的匹配性 。
7. 2. 7 纤维增强塑料层合板试验方法
纤维增强塑料性能的测试方法推荐按下列国家标准进行 ,测试试件个数至少 6件 。
玻璃纤维增强塑料树脂含量按 GB/T 2577进行 。
纤维增强塑料固化度按 GB/T 2576进行 。
纤维增强塑料密度按 GB/T 1463进行 。
定向纤维增强塑料拉伸性能按 GB/T 3354进行 。
纤维增强塑料纵横剪切性能按 GB/T 3355进行 。
单向纤维增强塑料压缩性能按 GB/T 3856进行 。
单向纤维增强层板弯曲性能及模量按 GB/T 3356进行 。
4
GB/T 25383—2010
纤维增强塑料弯曲性能按 GB/T 1449进行 。
纤维增强塑料压缩性能按 GB/T 1448进行 。
纤维增强塑料拉伸性能按 GB/T 1447进行 。
7. 3 金属材料
7. 3. 1 应根据具体使用要求选择适当的金属材料 。
7. 3. 2 应采用适当的方法控制和排除金属材料的制造缺陷 ; 同时 ,应采用适当的表面处理和热处理工艺提高金属材料的使用性能和耐环境能力 。
7. 3. 3 金属材料性能 、化学成分应符合国家标准或其他有关技术条件 。
8 制造控制
8. 1 生产作业文件
8. 1. 1 生产作业文件依据设计图样和材料特性编制 。
8. 1. 2 生产作业文件必须明确叶片所有零件的全部制造过程 。
8. 1. 3 生产作业文件至少应包括材料清单 、工具清单 、操作要求 、检验项目和操作检验记录单等内容 。
8. 2 控制内容
8. 2. 1 叶片材料控制
叶片原材料控制按 7. 1要求进行 。
8. 2. 2 叶片制造控制
8. 2. 2. 1 叶片制造记录文件应跟随生产过程 ,并纳入叶片档案 。
8. 2. 2. 2 对于影响叶片性能和工艺控制的主要材料 ,应随叶片制造过程同时制作足够的试样并进行保存 。
8. 2. 3 叶片成品质量检验
8. 2. 3. 1 应对部件的加工过程及完成的叶片成品进行检验 ,特别注意气泡 、夹杂 、分层 、变形 、贫胶等 。
8. 2. 3. 2 对叶片表面及部件内部缺陷可采用目测 、敲击 、X射线或超声波等无损检测方法来检验 。
9 工艺要求
9. 1 总则
9. 1. 1 应隔离生产区和储存区 ,避免层铺材料受到污染 。
9. 1. 2 在叶片成型过程中 ,生产区不允许有产生粉尘的加工 、油漆喷涂等作业 。
9. 2 成型车间
9. 2. 1 成型车间应满足制造工艺对环境的要求 。一般要求环境温度为 16 ℃ ~ 25 ℃ ,相对湿度小于或等于 70% ,并通过温度计和湿度计进行监测记录 。
9. 2. 2 成型车间应采取适当措施 , 防止阳光直射影响树脂正常固化 。
9. 3 原材料库房
9. 3. 1 所有原材料应 按 照 其 使 用 说 明 书 的 要 求 进 行 贮 存 和 取 用 , 并 符 合 国 家 和 地 方 相 关 法 律 、法 规要求 。
9. 3. 2 原材料库房内贮存的物品应具有明显的材料标记 、贮存条件和贮存周期等标识 。
9. 4 成型过程
9. 4. 1 叶片成型可以采用手糊成型 、真空吸注 、预浸料或缠绕等方法 。
9. 4. 2 层铺作业应符合有效的技术文件要求 ,并重点控制铺层的位置 、纤维方向和平直状态等 。
9. 4. 3 应采用适当的方法混合树脂与固化剂 ,注意尽量少地卷入空气 。必要时 ,可在真空条件下排出树脂混合物中的空气 。
9. 4. 4 树脂浸渍应均匀 、充分 ,复合材料纤维含量应满足设计要求 。
5
GB/T 25383—2010
9. 4. 5 叶片和零部件应在树脂固化后启模 ,采用加温固化的叶片和零部件启模后应进行后固化处理 。
9. 4. 6 待粘接表面应采用适当的方法处理(如打磨 、脱脂或底涂等)以保证粘接强度 。
9. 4. 7 对于被切割的复合材料端面 ,应采用密封处理 , 防止外部介质或潮气侵入 。
9. 4. 8 对叶片制造过程中产生的缺陷可以进行修补 ,修补后的叶片应满足设计要求 。
9. 5 模具
9. 5. 1 模具应保证叶片的外形尺寸公差和稳定性 。
9. 5. 2 模具的型面和定位尺寸应定期标定以保证叶片外形尺寸的稳定性 。
9. 6 工装及计量器具
9. 6. 1 叶片制造所需工装 、设备和工具等应满足工艺要求及其他有关规定 。
9. 6. 2 所用量具 、衡器 、仪表需经检定 ,并在检定合格周期内使用 。
9. 7 人员要求
叶片制造人员 、检验人员必须经过专门职业培训 ,经考核合格后可以持证上岗 。技术培训时间不得低于 3个月 。
9. 8 记录
叶片制造过程中所有零部件 、材料以及操作过程应进行连续的和可追溯的记录 ,这些记录应至少在两倍的质保期周期内得到保存 。
10 检验规则和验收
10. 1 检验分类
10. 1. 1 叶片的检验分型式试验和出厂检验 。
10. 1. 2 当有下列情况之一时应进行型式试验 :
— 新产品试制完成时 ;
— 叶片关键材料代用时 ;
— 重大工艺调整时 ;
— 出厂检验与上次型式试验结果有较大差异时 ;
— 国家质量监督机构提出进行型式检验要求时等 。
10. 2 型式试验
10. 2. 1 叶片型式试验至少应包括 :
— 固有频率测试 ;
— 静力试验 ;
— 疲劳试验 ;
— 对于具有叶尖制动机构的定桨距叶片还应进行叶尖制动机构功能试验 。
10. 2. 2 客户与制造商协商的其他试验项 目 。
10. 2. 3 叶片型式试验方法按 GB/T 25384《风力发电机组 风轮叶片全尺寸结构试验》的规定进行 。
10. 3 出厂检验
10. 3. 1 叶片出厂检验至少应进行以下项 目 :
— 叶片长度 ;
— 叶根接口尺寸 ;
— 叶片质量和重心位置 ;
— 叶片外观质量目视检查 ;
— 叶片内部缺陷应进行敲击或无损检验 ;
— 对于具有叶尖制动机构的定桨距叶片应进行功能试验 。
10. 3. 2 客户与制造商确定的其他检验项 目 。
6
GB/T 25383—2010
10. 4 判定规则和复验规则
10. 4. 1 型式试验 中 只 要 有 一 项 指 标 不 合 格 , 就 应 采 用 另 一 片 新 叶 片 对 该 项 目 进 行 复 验 , 直 至 合 格为止 。
10. 4. 2 检验结果与产品图样和技术要求不符时 , 即为不合格品 。
10. 5 不合格品处理
不合格叶片应做明显标记 ,禁止与合格叶片混放 ,并应单独存放和处理 。
11 标识和随机文件
11. 1 叶片的标识
11. 1. 1 叶片的标识包括铭牌 、重心标记和叶片零度安装角标记 。
11. 1. 2 叶片铭牌应用耐环境材料制作 ,并固定在叶片根部 ,包括下列内容 :
— 制造商名称 、详细地址 ;
— 叶片规格 、型号 ;
— 叶片的长度 、重量和重心位置 ;
— 叶片系列编号和制造日期 ;
— 叶片配套号 ;
— 其他项 目 。
11. 1. 3 应在叶片表面标记叶片重心位置 。
11. 1. 4 应用耐环境材料制作叶片零度安装角标记 ,并固定在叶片根部 。
11. 2 叶片使用维护说明书
11. 2. 1 叶片制造商应提供叶片使用维护说明书 。
11. 2. 2 叶片使用维护说明书的内容 :
— 制造商 ;
— 名称 、型号 ;
— 叶片技术数据 ;
— 叶片安装原理图 ;
— 叶片安装 、运输过程中的吊装位置及吊装要求 ;
— 叶片贮存要求 ;
— 叶片使用维护要求 。
11. 3 其他随机文件
叶片制造商应提供用户《叶片接口图样(规范)》、《叶片安装 、使用和维护说明书》和《叶片吊装 、运输和现场存放规范》等文件 。
12 包装、贮存、运输和吊装
12. 1 包装
12. 1. 1 叶片复合材料部分表面不需要包装 。
12. 1. 2 叶根接口部位的螺栓或内孔螺纹应进行有效保护 , 避免在存放 、装卸和运输等过程中损伤或锈蚀 。
12. 1. 3 叶片根部应采取有效密封措施 , 防止尘土或杂物进入叶片内部 。
12. 1. 4 叶片随机文件
叶片的随机文件应包括下列内容 :
— 装箱单 ;
— 随机备件 、附件清单 ;
7
GB/T 25383—2010
— 叶片合格证 ;
— 叶片使用维护说明书 ;
— 其他有关的技术资料 。
12. 1. 5 备件 、安装工具和随机文件应装到一个包装箱内 , 以确保在保管和运输中的完整性 。
12. 2 贮存
12. 2. 1 叶片可以露天存放 ,但要对叶片进行适当保护 ,避免损坏叶片表面 。
12. 2. 2 野外存放叶片时 ,应考虑现场地形和风向的影响 ,必要时应采取适当的保护措施 。
12. 3 运输
12. 3. 1 对于叶片的薄弱部位(如后缘) ,在运输过程中应进行有效保护(如安装适当的保护罩) 。
12. 3. 2 在运输过程中 ,每片叶片至少需要两个支撑点 ,一个支撑在叶根处 ,另一个在叶片长度约 2/3 (距叶根)处 。
12. 3. 3 支撑叶片主体时 ,为了均匀承受载荷需要使用与当地翼形基本一致的支撑垫板 。
12. 3. 4 叶片运输时 ,不允许水平放置叶片 , 即不允许叶片最大弦长处弦线平行于地面 。
12. 3. 5 建议采用汽车运输叶片 。
12. 4 吊装
12. 4. 1 吊装叶片 时 , 应 采 取 叶 片 前 缘 向 下 方 式 。 吊 点 位 置 后 缘 应 使 用 后 缘 防 护 罩 , 其 长 度 不 小 于500 mm。
12. 4. 2 吊装叶片时 ,不允许在叶片下面垫硬性支撑物 , 以免造成结构纤维形成损伤 。
12. 4. 3 在吊装过程当中 ,需要转动叶片时 ,在叶片后缘应使用后缘防护罩 ,其长度不小于 500 mm。
12. 4. 4 对于有叶尖制动系统的叶片 ,在吊装时 ,不允许将叶尖和主体之间的连接轴作为吊装点 。
8
GB/T 25383—2010
附 录 A
(规范性附录)
叶片结构强度分析方法
A. 1 总则
(1) 叶片的结构强度分析可参考本附录推荐的方法 。
(2) 叶片结构强度分析主要包括叶片结构动力特性分析 、强度分析 、变形分析和胶接强度分析 。
(3) 叶片强度通常由静强度分析和疲劳分析(设计极限状态校核) 来验证 。受压部件还应校验失稳(分层 、折皱 、翘曲等) 。
(4) 叶片的主要材料为增强纤维 , 叶片强度计算主要对增强纤维强度进行校核 。
(5) 强度分析应在足够多的截面上进行 ,被检验的截面的数目取决于叶片类型和尺寸 ,但至少应分析四个截面 。在几何形状和/或材料不连续的位置处应分析附加的截面 。
(6) 用螺纹 、胶接或其他连接技术在不同部件间构成的连接强度 ,应依据设计载荷进行验证 。
A. 2 叶片动特性分析
(1) 为了避免风力发电机组在运行过程中产生共振 ,应确定叶片在运行和静止时的一阶挥舞和摆振方向的固有频率 。必要时 ,还应考虑轮毂和变桨轴承的影响 。
(2) 当叶片长度大于 30 m 时 ,应对叶 片 挥 舞 方 向 和 摆 振 方 向 的 二 阶 频 率 和 一 阶 扭 转 频 率 进 行分析 。
(3) 叶片运行时的挥舞和摆振频率应避开机组激振频率的倍频(推荐考虑 1 P~ 8 P) ,应控制在倍频 ±5%以外 。
(4) 叶片结构动力特性分析时应采用叶片材料测试模量的平均值 。
A. 3 增强纤维
A. 3. 1 总则
(1) 强度分析既可用应变验证又可用应力验证 ,对于应力验证 ,还应分析最大载荷作用点的应变 ,证明没有超过破坏极限 。
(2) 验证采用下面 A. 3. 2 中叙述的试验数据确定的特征值来进行 ,应证明设计值 Sd 不超过材料
的许用值 Rd (特征值 Rk 除以该材料局部安全系数 γMx ) :
(3) 如果没有进一步验证 ,载荷传递区域沿纤维方向的平均应力值应小于 100N/mm2 。
Sd≤Rk/γMx =Rd
(4) 如果没有供验证的试验结果 ,可以使用下面给出的最小特征值 。在开始生产前 ,应能证明材料至少达到在分析中设定的特征值 。
A. 3. 2 特征值
(1) 特征值一般按公式(A. 1)计算 :
Rk
式中 :
Ui—i%正态分布分位数 ;
n— 试件个数 ;
— 试验值的平均值 ;
9
GB/T 25383—2010
υ—n个试验值的变异系数 。
(2) 对于公式(A. 1) , 假 设 观 测 值 的 标 准 偏 差 符 合 正 态 分 布 , 存 在 的 不 准 确 性 用 缩 减 系 数 进 行处理 。
(3) 应采用假设的正态分布中 ,α= 5%、P= 95%(置信度) ,此时 :
Rk
A. 3. 3 材料的局部安全系数
A. 3. 3. 1 材料的局部安全系数 γMx 分别定为 :
— 疲劳验证(x=b) ;
— 静强度验证(x=a) ;
— 稳定性分析(x=c) ;
这(—)—些系数由局(—胶接分析)部(x全系数(d和x)M(e)和。缩减系数 Cix相乘而得 。
对于所有的分析 ,局部安全系数 γM0为 :
γM0 = 1. 35
温度影响系数 C2x 的适用范围为 -30 ℃ ~ 50 ℃ ,并且复合层在 50 ℃的剪切模量和弯曲模量值比23 ℃时的值下降不低于 20% 。
下面所列的缩减系数 Cix不需更进一步验证 ,也可以使用试验验证过的缩减系数 。
A. 3. 3. 2 在静强度验证中 ,γMa 的值为γM0乘以缩减系数 Cia确定 ,考虑材料性能的影响 ,应采用下面的缩减系数 :
= 1. 2 湿法手工铺敷成型 ;
... 5 影(影)、;;方法或树脂注入方法铺敷成型 ;
C4a = 1. 0 后固化处理 ;
= 1. 1 非后固化处理 。
A. 3. 3. 3 在疲劳验证中 ,γMb应按γM0乘以下面的缩减系数 Cib确定 :
确定 ;
C1b=N 包含载荷循环次数 N 和 S/N 曲 线 斜 率 m 的 高 周 疲 劳 曲 线 ;m 应 通 过 分 析(S/N 曲 线)
对于玻璃纤维(纤维体积含量 :30%≤Vf≤55%) ,基体材料为聚酯时 m 为 9,基体材料为环氧时 m为 10;对于碳纤维(纤维体积含量 :50%≤Vf≤60%)m 为 14。 当采用其他新材料时 ,m 值应根据试验获得的S/N 曲线分析确定 。
C2b= 1. 1 温度影响系数 ;
= 1. 1 非编织纤维和单向编织纤维 ;
C3b= 1. 0 单向增强材料 ;
= 1. 2 编织纤维和毡 ;
C4b= 1. 0 后固化处理 ;
= 1. 1~ 非后固化处理 ;
C5b= 1. 0 1. 2 叶片后缘局部安全系数 ,具体数值根据验证质量确定(叶片摆振方向动态试验取
1. 0,有限元计算取 1. 1,按柏努利理论计算取 1. 2) 。
A. 3. 4 其他材料制成的部件
对于用其他材料制成的叶片部件(例如在叶尖机构中或在叶片连接部位的钢部件 , 叶片的铝材连接
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件等)与复合材料之间的连接强度 ,应在确定载荷情况下加以验证 。
A. 4 叶片强度分析
A. 4. 1 总则
(1) 应力或应变设计值是通过在所有的设计工况下的静强度 、疲劳强度和稳定性的铺层失效和失稳失效来确定的 。分析时应考虑铺层中纤维不连续的地方 、载荷施加的区域和高的载荷循环次数 。
(2) 对于各向异性材料 ,其静强度和疲劳强度应按照失效假设(例如 VDI2014或 Puck) 判定实际安全性 。对于强度分析 ,应提供单独的纤维失效和纤维间失效 。
(3) 对于静强度和疲劳强度分析中纤维失效 、纤维间失效和稳定性的验证 ,可采用应变或应力分析的形式 。
A. 4. 2 纤维失效分析
(1) 纤维失效分析应对承受设计载荷值 Sd 的拉 、压和/或剪力载荷作用区域进行分析 。
(2) 疲劳分析应基于所研究铺层特征值的 S/N 曲线(见 A. 3. 2) 及按此 S/N 曲线建立的古德曼图进行 。
(3) 古德曼图给出了部件许用载荷 R和作用载荷S(R和S可换为应变 ε 和应力 σ)的均值和变程之间的关系 ,如图 A. 1。
图 A. 1 古德曼图
此时 ,容许的载荷循环次数 N 应按公式(A. 3)确定 :
N … … … … … 式中 :
Sk,M — 特征载荷平均值 ;
Sk,A— 特征载荷幅值 ,Sk,A = (Sk max-Sk min)/2;
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Rk,t— 结构的拉伸强度特征值 ;
Rk,c— 结构的压缩强度特征值 ;
m—S/N 曲线斜率 ;
N— 容许载荷循环次数 ;
Rk,A— 结构特征值 。 当循环次数为 1 时 ,Rk,A = (Rk,t+ Rk,c )/2;
γMa — 材料局部安全系数(按 A. 3. 3. 2,静强度) ;
γMb— 材料局部安全系数(按 A. 3. 3. 3,疲劳强度) ;
对(C)1b给(N)定1/m的,作(见)用(A). 载(3). 荷(3). ,用(γM)b古德(/C)1b曼,即图γ确定容许循环(Mb中不考虑 C)1次(b)) 数。N,然后用于损伤累积计算 。损伤 D 定义
为现有载荷循环次数 ni 与容许循环次数 Ni 之比的总和 ,D 小于等于 1:
D ……………………………( A. 4 )
式中 :
D— 损伤 ;
ni— 第 i级载荷作用下的循环次数 ;
Ni— 第 i级载荷作用下的容许循环次数 。
A. 4. 3 纤维间失效分析
(1) 对于铺层中的单一层 , 在相关临界位置 , 裂纹应按 A. 4. 1 第 2 部 分 采 用 计 算 的 方 法 进 行 验证 。对于此验证 ,平行于和垂直于纤维方向的允许失效应力和失效应变以及剪切的允许失效应力和失效应变是必需的 ,特征参数应使用缩减系数(γMa ,CIFF )进行缩减 ,但由(γMa ,CIFF )获得的系数不应小于 1. 35。
注 : 横向应变可采用计算或试验方法确定 。
(2) 如果计算显示出铺层中的单一层不能够传递分配到的应力 ,则作用在 断 裂 层 上 的 分 力 ΔF应被其他层分担 。CIFF根据应传递的分力 ΔF 的值按表 A. 1 确定 。
(3) 不必对有裂纹铺层中单一层因载荷传递引起的应力变化进行精确的描述 。
表 A. 1 纤维内部失效分析中的 CIFF 取值
按纤维方向的失效形式
在纤维内部失效形式中需传递的分力 ΔF
0<ΔF<5%时的 CIFF
ΔF>5%时的 CIFF
剪力与横向拉伸的组合
0. 6
0. 8
剪力为主 ,与横向压缩的组合
0. 6
0. 8
横向压缩为主 ,与剪力的组合
0. 8
1
A. 4. 4 稳定性分析
(1) 对拉伸 、压缩和/或剪切载荷作用下构件的稳定性(抵抗翘曲和起皱的能力) ,应在作用载荷的设计值 Sd 的基础上进行验证 。
(2) 对于稳定性分析 ,为了确定构件强度设计值 Rd,应将材料局部安全系数 γMc 用于材料的刚度平均值 ,γMc应根据局部安全系数γM0乘以下面的缩减系数 Cic确定 :
= 1. 3 对于芯材,考虑模量的分散度 ;
(3) 一般情况下 , 当使用计算的方法进行验证 ,真实结构不能被详细分析时 ,对其所做的假设和估计应偏于保守 。
C2c1(1).. 1(0) 温度影响(对于芯材) 。,在使用最小特征值时 ;
C1c= 1. 1 对于整体的铺层和夹芯结构的蒙皮 ,考虑模量的分散度 ;
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(4) 稳定性分析可采用(几何)非线性有限元计算方法 ,对于每个载荷 ,应采用固有一阶线性屈曲的无应力预变形 。 固有一阶线性屈曲的整体比例应按临界起皱的最大高度为其最大水平长度(弦长)的 1/400执行 。如果起皱高度已被验证 , 可允许其有较小的预变 形 。 在 上 述 情 况下 ,容许应力不应超过已考虑的载荷设计值 。
(5) 在使用非线性有限元法进行稳定性分析时 ,为了确定屈曲临界载荷 ,应使用线性有限元法进行附加验证 。屈曲临界载荷必须大于特征载荷值 。另外 , 必须能够证明在预变形出 现 屈 曲后 ,邻近的结构构件和结构零件不会出现损伤(如在粘接接合部位) 。
(6) 如果稳定性分析为线性分析时 ,应考虑附加安全系数 1. 25。
(7) 稳定性分析采用试验验证的方法 。这种情况下 ,应考虑载荷设计值和缩减系数 ,其中取 C1c=1. 0。 A. 5 变形分析
(1) 为了保证叶片与机组其他零部件间的最小间隙 ,应对所有设计工况下的叶片变形进行验证 。
(2) 当采用静态方式进行叶片变形计算时 , 叶片在所有运行工况下的最小间隙应不小于叶片在自由状态下与机组其他零部件间隙的 40% 。 叶片在所有静止工况下的最小间隙应不小于叶片在自由状态下与机组其他零部件间隙的 5% 。
(3) 当采用动态或气弹的方式进行叶片变形计算时 , 叶片在所有运行工况下的最小间隙应不小于叶片在自由状态下与机组其他零部件间隙的 30% 。
A. 6 胶接
(1) 胶接强度应按 A. 4通过必要的变换进行分析 ,应考虑胶接表面和缺陷处的应力集中 。
(2) 应遵守制造厂商规定的使用限制 ,胶接设计应尽最大可能避免剥离力矩或力 。
(3) 如果分析是基于试验中得到的特征值 ,应对每一种情况进行检查 , 以便于把在试件上发现的应力集中应用到实际结构构件中去 。必要时 ,特征值应按各种应力集中进行比例修正 。
(4) 为了确定静态的剪应力曲线 ,应在 23℃和 50℃时对使用的胶粘剂进行层间剪切试验或等效试验 。对所确定的特征值应使用材料局部安全系数 γMd 。γMd 应由局部安全系数γm0 和下述缩减系数 Cid 的乘积确定 :
C1d = 1. 5 老化影响系数 ;
... 现(数);性;;
(5) 当进.1一 步 进行(非后)验(固)证(化)时(处),对(理)。于双组分的热固性胶粘剂 ,剪切应力可采用以下特征值 :结构中由于应力集中而增大的剪应(Rk)可N以使用(/mm)2 该值的 1. 0~ 3. 0倍的数值计算 。
(6) 对于疲劳验证 ,特征 S/N 曲线应在 23 ℃时通过试验确定 。对所确定的特征 S/N 曲线应使用材料局部安全系数γMe 。γMe应由局部安全系数γMo 和下述缩减系数 Cie 的乘积确定 :
.... 现(数);性;;
在疲验.1证中应(非)计(后)入(固)平(化)均(处)应(理)力。的影响 。
(7) 对于双组分的热固性胶粘剂 ,如果对于循环次数为 107 时由当量等幅变程谱得出的应力变程
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小于以下值时 ,应提供在具有连续的剪切应力曲线的连接处(例如大梁和壳体或上下壳体之间的连接)的疲劳验证 。
结构中由于应力集中而增大的剪τ切(Rd)力(1). 可以使用(0N/mm)2该值的 1. 0~ 3. 0倍的数值计算 。
(8) 对于集中载荷的疲劳验证(如金属嵌入物) ,应在 23 ℃时由试验确定特征 S/N 曲线 ,应计入湿度对胶接的影响 。
A. 7 应变分析
当叶片结构主要承力材料为单向纤维增强材料时 ,其静强度和疲劳强度可采用简化的应变分析 。沿纤维方向的应变值应低于以下的设计值 :
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(1) 玻璃纤维增强材料
— 拉伸应变
— 压缩应变
(2) 碳纤维增强材料
— 拉伸应变
— 压缩应变
εRd,t≤0. 35%
εRd,c≤ -0. 25%
εRd,t≤0. 24%
εRd,c≤ -0. 18%
