大型风电叶片复合材料损伤性能的实验研究及杂交分析

对大型风电叶片复合材料的损伤力学性能进行了详尽的实验和数值模拟研究。具体的来说：（1）对纤维增强复合材料的弹性力学性能进行了实验研究、理论分析和数值建模，系统研究了GFRP在单轴加载条件下的力学性能及其随纤维方位角的关系，三种方法的研究结果相吻合。结果表明，纤维增强复合材料的弹性模量依赖于纤维的方向角。在纤维方向上的弹性模量最大，随着纤维的倾斜，材料的弹性模量出现了先减小后增大的趋势。（2）利用有效界面理论对纳米增强复合材料的弹性性能进行了研究。编制了可用于自动化生成纳米颗粒增强复合材料三维单胞模型的软件。通过参数控制，可控制生成的模型是否包含界面，界面是否搭接，界面层可以包含几个子层，也可以控制生成的纳米颗粒形状（球形、椭球形、圆柱形或者圆饼形）。利用生成的模型，对纳米增强复合材料的界面性能、颗粒大小、颗粒形状、颗粒体积百分比等因素对复合材料力学性能的影响进行了定量研究。（3）对玻璃纤维增强环氧树脂基体复合材料的损伤演化进行了数值模拟。建立了多个不同的损伤模型，比如：单纤维无界面模型，单纤维含纤维/基体界面模型，单纤维含纤维裂纹、界面、基体裂纹模型，多纤维单损伤层模型以及多纤维双损伤层模型等。（4）对自修复复合材料的损伤力学性能进行了研究。研究结果表明，如果该种复合材料内部出现了裂纹，靠近胶囊的裂纹往往易于扩展，同时，胶囊内部也有损伤发生并形成了裂纹。这两种裂纹会出现汇交现象，有利于复合材料的自修复功能，即更容易使胶囊中的修复物质流出对材料中的损伤进行修复。通过上述研究，提出大型风机叶片复合材料损伤力学性能的关键控制指标，得到大型风机叶片复合材料力学性能的评价模型，形成相应评价方法。研究结果有望对大型风机叶片用纤维增强复合材料的设计和制备提供有益的指导。

风能作为一种洁净的可再生能源，越来越受到人们的重视。风力发电系统最关键、最核心的部件之一是风机叶片，叶片结构和材料决定风机的性能和功率。本项目提出对复杂条件下大型风机叶片复合材料(尤其是玻璃纤维增强环氧树脂基体的高分子复合材料)损伤性能进行研究，拟通过实验研究和数值模拟手段，系统研究在不同环境条件下(温度和湿度)和不同载荷(静荷载及疲劳载荷)下纤维增强复合材料的损伤演化过程和机制，在此基础上，将实验结果和数值模拟相结合进行杂交分析，进一步建立叶片复合材料的疲劳损伤模型。从而提出大型风机叶片复合材料损伤力学性能的关键控制指标，提出风机叶片材料疲劳寿命的预测方法，得到大型风机叶片复合材料力学性能的评价模型，形成相应评价方法。

《复合材料及结构的缺陷与损伤》致力于提供有关先进复合材料及结构的缺陷与损伤的详细描述。在过去50年中，关于先进复合材料缺陷与损伤的研究在各种报告和文章中均有讨论。20世纪70年代至90年代期间的大部分研究工作相对于今天对复合材料及结构的技术理解来说并没有失去相关性。事实上，目前在复合材料缺陷和损伤领域的工作仅证实了早期的相关研究和成果是相关的和适用的。

《复合材料及结构的缺陷与损伤》将过去几十年关于复合材料缺陷与损伤方面的信息、数据和知识进行了全面的总结，并将作者本人在职期间对于复合材料机身的维护和修理经验增加到《复合材料及结构的缺陷与损伤》中，从结构完整性角度研究损伤的危害性，并探讨了损伤识别的相关性，以及如何修复缺陷和损伤。

《复合材料及结构的缺陷与损伤》第1章概述了复合材料的一般应用情况以及复合材料缺陷与损伤的基本定义；第2章对复合材料及结构的缺陷与损伤类型进行描述，根据尺寸、产生情况和位置等因素对缺陷与损伤进行分类，对缺陷与损伤的类型进行概括；第3章介绍不同类型的无损检测（NDI）方法，这些NDI方法可以用于发现和识别缺陷与损伤，提供不同层次的细节和描述；第4章回顾复合材料缺陷的基本失效模式和机理，确定应力状态对具有缺陷的复合材料结构（第5章）的影响；第5章确定造成结构完整性缺失的一般缺陷类型，如基体开裂、分层和纤维断裂，并给出相关建议，以确定影响复合材料及结构的功能性能的应力状态和缺陷/损伤严重性；最后，第6章描述用于复合材料缺陷和损伤修复的推荐方法。

混凝土结构在施工和服役过程中都会产生损伤。目前，在对结构的安全性分析时，大多因初始损伤难以确定而予以忽略，这将直接影响结构损伤分析的结果，而涉及混凝土初始损伤的文献甚少。此外，损伤参数的确定大多基于实验室的小尺寸试件试验，而实际工程中需要用损伤参数对结构的安全性进行分析的又多是大体积混凝土结构，尺寸效应对损伤参数的影响不可忽略。本项目将研究混凝土初始损伤问题，并进行损伤参数及其尺寸效应研究。通过对混凝土试件的试验，建立描述混凝土初始损伤的分析模型，提出一种确定初始损伤值的方法；通过不同尺寸混凝土试件的试验，研究损伤参数及其与尺寸的关系，建立实验室小尺寸试件损伤参数与工程结构损伤参数的转换关系式。应用所确定的初始损伤及损伤参数进行混凝土结构的损伤场分析，验证研究成果的合理性。为建立适用于工程结构的损伤分析模型奠定基础，为大型工程结构的安全性评价提供科学依据。 2100433B

国家能源风电叶片研发（实验）中心的建设目标是建设兆瓦级以上大型及超大型风电叶片设计、制造及工艺技术为主的核心技术研发创新平台；以建设高水平的、可持续的科技创新能力为主线，为风电叶片产业的发展提供核心技术和装备；建设世界级的风电叶片研发中心及公共实验平台；成为国际知名的风电叶片检测中心；成为风电叶片研究与制造领域有影响的国际合作科研平台，并成为国际重要的风电技术研究基地和高层次人才培养基地。

“十二五”期间，中心将进一步开展风能利用关键技术及新技术开发，主要攻关新一代风电产业的 "瓶颈"技术，通过研制开发新型叶片及相关关键核心技术，促进我国风电行业自主创新能力的提升；通过国际一流的实验条件和关键技术的开发，为风电行业培养专业型技术人才，同时开展风电技术领域的技能和管理培训，扩大产业发展规模；通过与国外同类机构、大学或科研院所，共同探讨风电技术领域问题，加强交流与合作，积极借鉴国外先进技术和经验，扩大中心的国际影响力。

国家能源风电叶片研发（实验）中心拥有国内一流的学术带头人及研发团队，实行中心主任负责制, 设有学术委员会把握科研方向。中心紧跟国际风电叶片前沿技术的发展，在建立具有中国特色的风电叶片设计开发体系，开展叶片研究、设计、制造、试验的理论、技术和工艺研究，在风能利用基础理论研究、风电叶片的开发研制及成果转化，风电叶片检测技术体系与检测标准研究等方面已在国内处于领先水平 。

中心成立以后，曾先后参与了国家发改委、能源局、科技部、自然科学基金委、中国科协及中科院“十二五”期间风力发电行业的政策咨询及科研规划等起草工作，为国家制定风能产业发展规划提供了有益的建议。

■ 研究领域

研究领域包括航空发动机研究、风能利用研究。充分发挥实验室在流体力学、空气动力学学科方面的综合优势，将基础研究与产品研制相结合，为我国航空动力技术和风能技术的应用提供重要的理论依据和关键技术支撑。

■ 研究方向

1、 MW级大型风电叶片研发与产业化：5MW海上风电叶片的气动及结构设计；针对我国风场地形与气候特点的风资源评估及预报技术研究；风电叶片检测标准集技术研究；风电叶片噪声控制研究；智能叶片研发；风能储能系统和海水淡化技术的研究以及海上风能利用技术开发。

2、 燃气轮机/航空发动机：对转发动机关键技术、关键部件的研究；100KW燃气轮机总体及关键部件的设计与试验；微小型燃气轮机热力循环研究。

■ 机构及人员组成

实验室目前在职职工20人，其中中国科学院院士1名，研究员3名，副研究员6名。研究生39人，其中博士研究生20人，硕士研究生19名。返聘专家2人。

■ 2011年项目情况

2011年度本实验室争取新项目6项，其中国家自然科学基金项目1项，国家能源局项目1项、院其它项目1项、企业委托项目2项，国家科技支撑计划项目子课题1项。

■ 2011年主要成果与工作进展

中心2011年度在科研方面进行的工作主要有：国家973项目子课题“微小型燃气轮机热力循环”顺利通过中期检查；实验室承担的军品项目进展顺利；国家能源局“风电叶片试验与检测关键技术研究及应用示范”项目进展顺 利；中丹科技合作专项项目“基于中国复杂风资源特点的风力发电关键技术研究”已开展多次技术交流，项目按计划要求进展顺利；国家自然科学基金青年基金“非定常运动风电叶片的噪声机理研究及生源 相关性耦合分析”按进度完成流场和声场的数值建模；开展2.5MW/3.0MW风电机组叶片的设计工作，设计通过整机校核，效果良好；完成了6MW风电叶片气动及结构铺层设计；完成发动机压气机气动设计与试验件设计加工；完成发动机涡轮气动设计；完成廊坊基地暂冲式实验台设计；开展新型空气涡轮火箭发动机关键技术研究；组织举办2011年海上风能与海洋能国际会议；开展与国际知名丹麦DTU技术大学、Resoe实验室和NREL美国可再生能源实验室合作与技术交流活动；与英国Narec合作开展检测技术研究；与荷兰能源研究中心(ECN)，WMC，Delft大学等国外研究机构开展了合作交流；与华锐、金风、国电、东汽等主机厂开展深入合作；建设小型风洞一座；参与参加自然科学基金委、国家能源局、中国科学院、科技部等“十二五”规划风能方向的制定；参与863课题规划；参与北京科委的风光工程起草工作。

本年度共发表（含已录用）各类学术论文55篇，其中3篇发表在SCI源刊，33篇发表EI源刊。宣读的会议论文18篇，其中国际会议口头报告或报告6篇，国内会议邀请报告3篇。申请专利25项，其中发明专利13项、实用新型12项，已有9项专利获得授权，申请软件著作权1项。招收研究生6名，其中2名博士研究生于2011年毕业。

（以上数据截止2011年12月31日）

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