馮鵬清華大學(xué)土木工程系2025年3月20日風(fēng)電葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的層疊拉擠板材技術(shù)Tsinghua

university主要內(nèi)容1.背景2.國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電葉片用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠板材》3.拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)4.拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造受力性能試驗(yàn)及有限元模擬5.研究現(xiàn)狀與展望葉片大型化趨勢明顯

，我國最新下線葉片長度已達(dá)147m

，葉輪直徑可達(dá)300m

，

發(fā)電效率已躍升至20MW。2.0

《2024全球風(fēng)能報(bào)告》指出2023年中國新增裝機(jī)容量達(dá)75GW，占全球新增容量117GW的65%?！丁?/p>

十四五

”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》中明確指出全面推進(jìn)風(fēng)電

大規(guī)模開發(fā)和高質(zhì)量發(fā)展。推進(jìn)陸上風(fēng)電基地化開發(fā)重點(diǎn)建設(shè)海上風(fēng)電基地在雙碳背景下，我國風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅猛，處于全球領(lǐng)先地位，

風(fēng)電葉片大型化趨勢明顯1.背景Year

of

operationRotordiameter(m)Capacity(MW)202430020.020171708.020121406.2202222013.020031003.020081305.01991300.5200070拉擠工藝玻璃纖維拉擠板材碳纖維拉擠板材碳?；祀s纖維拉擠板材矩形截面拉擠板材梯形截面拉擠板材對稱八邊形截面拉擠板材風(fēng)電葉片主梁推進(jìn)風(fēng)電葉片大型化的“絕對利器”——纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠板材&拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)拉擠板材1.背景?

高纖維含量與一致性：拉擠板材纖維體積含量可達(dá)

60%-

70%

（傳統(tǒng)方法約為40%-

50%）

，

大幅提升主梁的拉伸強(qiáng)度與模量；?

抗疲勞性增強(qiáng)：

纖維一致性使疲勞壽命提高約30%

，

適應(yīng)風(fēng)機(jī)長期動態(tài)載荷。?

單位強(qiáng)度重量比優(yōu)化：相同強(qiáng)度下

，

拉擠主梁減重可達(dá)

15%-20%

，

典型80米葉片減重約1.5噸。?氣動性能改善：

輕量化設(shè)計(jì)允許更優(yōu)翼型

，年發(fā)電量提升1%-2%。?生產(chǎn)速度提升

：拉擠線速度可

達(dá)1-2米/分鐘

，單條產(chǎn)線年產(chǎn)能超5000噸

，較傳統(tǒng)工藝縮短生產(chǎn)周期50%以上；?材料利用率提高：

干纖維損耗

從傳統(tǒng)工藝的10%-15%降至3%以內(nèi)

，樹脂浪費(fèi)減少約40%；?人工成本低：

自動化生產(chǎn)減少

人工干預(yù)

，用工密度下降60-70%。?某4MW機(jī)型應(yīng)用拉擠主梁后

，葉片成本降低18%

，發(fā)電效率提

升1.8%

，整機(jī)LCOE下降約5%。?

工藝波動性降低：關(guān)鍵參數(shù)（纖維張力±2%

，

樹脂含量±1.5%）

實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制

，批次差異較傳統(tǒng)方法縮小70%。?

質(zhì)量檢測前置：

原材料在線檢測覆蓋率超過90%

，

缺陷產(chǎn)品率降至

0.5%以下。?模塊化集成：支持不同厚度（0.5-6mm）

和寬度

（50-150mm）

板材組合

，設(shè)計(jì)迭代周期縮短40%。?界面性能優(yōu)化：

層間剪切強(qiáng)度提升至45MPa以上

，滿足多軸向載荷需求。拉擠板材推動了風(fēng)電行業(yè)向更高可靠性、

更低度電成本的方向發(fā)展，是葉片領(lǐng)域的重要革新質(zhì)量穩(wěn)定且設(shè)計(jì)靈活材料及結(jié)構(gòu)性能顯著提升生產(chǎn)效率與成本優(yōu)化1.背景主要內(nèi)容1.背景2.國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電葉片用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠板材》3.拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)4.拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造受力性能試驗(yàn)及有限元模擬5.研究現(xiàn)狀與展望本標(biāo)準(zhǔn)起草單位清華大學(xué)、江蘇澳盛復(fù)合材料科技有限公司、

中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司、振石集團(tuán)華智研究院（浙江）有限公司、三一重能股份有限公司、

中復(fù)碳芯電纜科技有限公司、新創(chuàng)碳谷集團(tuán)有限公司、株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司、廣東明陽新能源材料科技有限公司、北京玻鋼院檢測中心有限公司、重慶風(fēng)渡新材料有限公司、泰山玻璃纖維有限公司、金風(fēng)科技股份有限公司、南京諾爾泰復(fù)合材料設(shè)備制造有限公司、河南迅克新材料科技股份有限公司、美固新材料（南通）有限公司、北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司、洛陽科博思新材料科技有限公司、道生天合材料科技（上海）股份有限公司、惠柏新材料科技（上海）股份有限公司、河北省復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)研究院有限公司、南京工業(yè)大學(xué)、浙江恒億達(dá)復(fù)合材料有限公司、吉林國興復(fù)合材料有限公司、中國華電科工集團(tuán)有限公司。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人馮鵬、魯曉鋒、

張可可、王志偉、姜雨時(shí)、劉召軍、談源、馮學(xué)斌、張敬德、汪新、張菊芳、楊德旭、張乾仁、郝壯、唐俊甜、程正琿、許雙前、姜桂堂、嚴(yán)兵、毛雅賽、瞿連輝、吉明磊、劉洋、

呂素娣、齊玉軍、陸濤、南岳、章靚、季小強(qiáng)、楊節(jié)標(biāo)、牛經(jīng)敏、劉學(xué)武。國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電葉片用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠板材》GB/T45006-2024

，該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已發(fā)布

，是全球第一部針對拉擠板材的國家級產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)以產(chǎn)品性能和性能測試方法為核心

，對產(chǎn)品的分類、代號標(biāo)記、原材料、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)簽、包裝、運(yùn)輸和貯存等方面進(jìn)行規(guī)定。目次前言1

范圍2

規(guī)范性引用文件3

術(shù)語和定義4分類、代號和標(biāo)記5

原材料6

要求7

試驗(yàn)方法8

檢驗(yàn)規(guī)則9標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存附錄A（規(guī)范性）脫模布相關(guān)要求附錄B（規(guī)范性）k值選取方法附錄C（規(guī)范性）

m值及200萬次極限強(qiáng)度計(jì)算方法2.國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電葉片用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠板材》玻璃纖維拉擠板材碳纖維拉擠板材

碳?；祀s纖維拉擠板材玻璃纖維無捻粗紗聚丙烯腈碳纖維尼龍66脫模布

環(huán)氧樹脂固化劑拉擠工藝脫模劑矩形截面

梯形截面

對稱八邊形截面?

按縱向拉伸彈性模量分為：——玻璃纖維拉擠板材62GPa、

64GPa、

66GPa等等級；

——碳纖維拉擠板材130GPa、

140GPa、

150GPa、160GPa等等級；——碳?；祀s纖維拉擠板材100GPa、

105GPa等等級。注：

以上為各類拉擠板材的常見等級

，

未提及的等級可參考分級標(biāo)準(zhǔn)

“玻璃纖維拉擠板材以2GPa為一個等級；

碳纖維拉擠板材以10GPa為一個等級；

碳?；祀s纖維拉擠板材以5GPa為一個等級”進(jìn)行分級。?

增強(qiáng)材料為玻璃纖維時(shí)

，

其拉伸彈性模量應(yīng)不低于82GPa

，且其他力學(xué)性能應(yīng)符合GB/T18369及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；

增強(qiáng)材料為碳纖維時(shí)

，

其拉伸彈性模量應(yīng)不低于230GPa

，

且其他力學(xué)性能應(yīng)符合GB/T

26752及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。?

基體為環(huán)氧樹脂時(shí)應(yīng)符合GB/T13657及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；基體為聚氨酯樹脂或其他樹脂時(shí)應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。?

采用的填料、

脫模劑等成分應(yīng)與基體協(xié)調(diào)兼容。?

采用的脫模布應(yīng)與基體協(xié)調(diào)兼容

，并符合附錄A的規(guī)定。2.國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電葉片用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠板材》分類

(增強(qiáng)材料、截面形狀、縱向拉伸彈性模量)原材料環(huán)氧樹脂表面及側(cè)邊應(yīng)干凈平整

，無可見的纖維裸露

，無明顯的貧、

富樹脂區(qū)

，無裂紋、孔洞、

凸起等變形或缺損

，不應(yīng)出現(xiàn)污漬或外來污染物。端面切面應(yīng)干凈平整

，無焦化

，不應(yīng)殘留毛刺或干紗。表面脫模布應(yīng)為連續(xù)狀態(tài)、不應(yīng)搭接、不應(yīng)破損

，不應(yīng)出現(xiàn)脫模布與板材間局部脫粘、氣泡或分層的現(xiàn)象

，不應(yīng)出現(xiàn)脫模布移位或?qū)挾冗^大導(dǎo)致包裹板材邊緣或嵌入板邊紗線內(nèi)的現(xiàn)象。板側(cè)邊緣膨體紗不應(yīng)出現(xiàn)脫離的現(xiàn)象。板面毛羽團(tuán)單個毛羽團(tuán)面積不應(yīng)超過5000mm2

；毛羽團(tuán)外接矩形的周長不應(yīng)超過300mm、寬度不應(yīng)超過板材寬度的50%；兩處毛羽團(tuán)的中心距離不應(yīng)小于3m；毛羽團(tuán)缺陷處應(yīng)滿足厚度尺寸偏差要求。板面凹坑凹坑的深度不應(yīng)超過0.5mm

，每1m內(nèi)凹坑總面積不超過100mm2。板側(cè)掉粉掉粉缺陷的寬度和深度均不應(yīng)超過0.5mm。板內(nèi)紗線接頭板材每10m內(nèi)不應(yīng)超過三個紗線絲束接頭

，任意兩接頭的間距應(yīng)大于1m。板材色差同一卷板材內(nèi)色差值不應(yīng)超過2NBS

，同一批板材的不同卷之間的色差值不應(yīng)超過4NBS。脫模布褶皺單條褶皺長度不應(yīng)超過150mm

，深度不應(yīng)超過0.4mm

，且每10m內(nèi)不超過一處褶皺。脫模布撕后亮面單塊亮面面積不應(yīng)超過100mm2

，且每10m內(nèi)累計(jì)亮面面積不應(yīng)超過400mm2。脫模布撕傷和殘留撕除脫模布時(shí)

，板材撕傷寬度不應(yīng)超過3mm

，長度不應(yīng)超過1m

，深度不應(yīng)超過0.5mm

，且不應(yīng)有脫模布?xì)埩簟?.國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電葉片用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠板材》板面污漬

脫模布撕傷脫模布褶皺

脫模布脫粘脫模布搭接

脫模布?xì)埩舭迕婷饒F(tuán)

板材異色外觀及外觀缺陷

內(nèi)部缺陷

拉擠板材內(nèi)部缺陷平面投影

lx

?

拉擠板材內(nèi)部缺陷包括分層、

空腔、

干紗、

異物、

密集型孔隙、

富樹脂、

半干紗等。

當(dāng)兩個或兩個以上的缺陷很靠近時(shí)

，

若缺陷的中心距小于20mm

，

則記為單個缺陷

，

各缺陷的累計(jì)尺寸作為該單個缺陷的尺寸；若缺陷的中心距大于20mm

，

則記為多個缺陷。?

拉擠板材內(nèi)部出現(xiàn)單個缺陷時(shí)

，

缺陷平面投影的最大長度與缺陷平面投影最大寬度的和不應(yīng)超過20mm。?

拉擠板材內(nèi)部出現(xiàn)多個缺陷時(shí)

，

每10m內(nèi)累積缺陷面積不應(yīng)超過1000mm2。2.國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電葉片用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠板材》內(nèi)部缺陷ly項(xiàng)目指標(biāo)單位數(shù)據(jù)類型玻璃纖維拉擠板材碳纖維拉擠板材碳玻混雜纖維拉擠板材GP66GP64GP62CP160CP150CP140CP130HP105HP100縱向拉伸強(qiáng)度MPa特征值≥1300≥1250≥1200≥1700≥1600≥1500≥1400≥1400≥1300彈性模量GPa平均值≥6664~6662~64≥160150~160140~150130~140≥105105~100斷裂拉伸應(yīng)變%特征值≥1.8≥0.95≥1橫向拉伸強(qiáng)度MPa平均值≥50≥45≥45≥40≥40≥45彈性模量GPa平均值≥14≥8≥8≥7≥7≥13.5斷裂拉伸應(yīng)變%平均值≥0.3≥0.5≥0.5縱向壓縮強(qiáng)度MPa特征值≥1150≥1150≥1100≥1250≥1150≥1050≥950≥1000彈性模量GPa平均值≥66≥64≥62≥150≥140≥130≥115≥103≥98最大壓縮應(yīng)變%特征值≥1.6≥0.75≥0.8橫向壓縮強(qiáng)度MPa平均值≥140≥160≥150≥140≥130≥160彈性模量GPa平均值≥15≥8.0≥8.0≥7.5≥7.5≥13.5最大壓縮應(yīng)變%平均值≥1.1≥2≥1.2層間剪切強(qiáng)度MPa平均值≥55≥60≥50面內(nèi)剪切強(qiáng)度MPa平均值≥56≥55≥50彈性模量GPa平均值≥4.5≥4≥4.5縱向

(0°)拉伸試驗(yàn)橫向

(90°)拉伸試驗(yàn)橫向

(90°)壓縮試驗(yàn)2.國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電葉片用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠板材》靜力性能縱向(0°)壓縮試驗(yàn)層間剪切試驗(yàn)面內(nèi)剪切試驗(yàn)項(xiàng)目指標(biāo)單位數(shù)據(jù)類型玻璃纖維拉擠板材碳纖維拉擠板材碳?；祀s纖維拉擠板材GP66GP64GP62CP160CP150CP140CP130HP105HP100拉-拉疲勞（R=0.1）m值——≥8.5≥8.5≥8.0≥33≥33≥33≥33≥12≥12200萬次極限強(qiáng)度MPa—≥130≥125≥120≥1200≥1150≥1100≥1050≥450≥400拉-壓疲勞（R=-1）m值——≥10≥9.5≥9.0≥33≥33≥33≥33≥12≥12200萬次極限強(qiáng)度MPa—≥145≥145≥140≥850≥800≥750≥700≥500≥450壓-壓疲勞（R=10）m值——≥25≥20≥20≥33≥33≥33≥33≥20≥20200萬次極限強(qiáng)度MPa—≥155≥155≥150≥850≥800≥750≥700≥550≥500拉-拉疲勞試驗(yàn)（R=0.1）拉-壓疲勞試驗(yàn)（R=

-1）壓-壓疲勞試驗(yàn)（R=

10）2.國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電葉片用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠板材》疲勞性能項(xiàng)目指標(biāo)單位數(shù)據(jù)類型玻璃纖維拉擠板材碳纖維拉擠板材碳玻混雜纖維拉擠板材GP66GP64GP62CP160CP150CP140CP130HP105HP100單層板材橫向拼接拉伸強(qiáng)度MPa平均值≥23≥22≥22雙層板材堆疊層間剪切強(qiáng)度MPa平均值≥50≥50≥50拉剪強(qiáng)度MPa平均值≥25≥25≥25Ⅰ型層間斷裂韌性GⅠc有脫模布板材J/m2平均值≥500≥400≥300無脫模布板材J/m2平均值≥350≥300≥150拼

接

匹配

性

能拉擠板材拼接縫單層板材橫向拼接拉伸拉擠板材

拼接縫雙層板材堆疊層間剪切/

加載塊

無粘性的薄膜7

/拼接縫Ⅰ型層間斷裂韌性2.國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電葉片用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠板材》加載壓頭\

支座拉剪性能

/

O/拉擠板材拉擠板材主要內(nèi)容1.背景2.國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電葉片用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠板材》3.拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)4.拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造受力性能試驗(yàn)及有限元模擬5.研究現(xiàn)狀與展望玻璃纖維三軸織物

1215

g/m2玻璃纖維拉擠板材（縱向鋪層）玻璃纖維雙軸織物

200

g/m2玻璃纖維拉擠板材（橫向鋪層）

該層鋪設(shè)橫板該層鋪設(shè)縱板l(A)/(B)、

(C)/(D)、

(E)/(F)、

(G)/(H)、

(I)/(J)、

(K)/(L)

相反布置；l(A)/(B)為對照組

，僅布置橫板或縱板；l(A)→

(C)→

(I)→

(F)

，將最外層的橫板逐層替換為縱板；l(B)→

(D)→

(J)→

(E)

，將最外層的縱板逐層替換為橫板；l(E)/(G)均為L3T6

，

區(qū)別在于縱板集中布置在拉壓側(cè)和中性軸處

，或分散布置；

(F)/(H)、

(I)/(K)、

(J)/(L)同理。L0T9(A)L9T0(B)L2T7(C)L7T2(D)L3T6-Ⅰ(E)L6T3-Ⅰ(F)L3T6-Ⅱ(G)L6T3-Ⅱ(H)L4T5-Ⅰ(I)L5T4-Ⅰ(J)L4T5-Ⅱ(K)L5T4-Ⅱ(L)3.拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)鋪層方案123鋪設(shè)底層脫模布

撕除板材脫模布鋪設(shè)板材及導(dǎo)流織物6設(shè)計(jì)樹脂流道

布設(shè)導(dǎo)流網(wǎng)鋪設(shè)最外層三軸織物8灌注、固化、脫模

“寬度×厚度”截面“長度×寬度”截面3.拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)

超聲探頭

制樣步驟超聲相控陣檢測4975裂縫僅沿裂縫厚度方向擴(kuò)

展

，并未損傷板材本體橫板發(fā)生受拉破壞3.拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)橫板鋪層的拼接縫沿寬度及厚度方向貫穿破壞

，

個別橫板發(fā)生受壓破壞裂縫沿著縱板下表面擴(kuò)展，無法穿越縱板頂層橫板受壓破壞

，

但橫板拼接縫未開裂橫板鋪層與縱板鋪層粘結(jié)界面發(fā)生脫粘左側(cè)加載梁下橫板拼接縫貫穿斷裂上表層三軸織物貫穿撕裂下表層三軸織物纖維絲束斷裂橫板鋪層拼接縫貫穿斷裂橫板與縱板粘結(jié)界面脫粘橫板與縱板粘結(jié)界面脫粘典型失效模式上表層三軸織物鼓脹頂層板材受壓破壞

結(jié)論l

所有試件在加載時(shí)的初期剛度與該試件的等效抗彎剛度理論值高度吻合；l

裂縫一般在橫板拼接縫處萌生

，

沿著厚度方向和寬度方向擴(kuò)展

，但裂縫無法穿越縱板；l

所有試件中縱板均無明顯損傷

，

若層疊結(jié)構(gòu)的灌注樹脂采用熱塑

性樹脂

，拉擠板材可實(shí)現(xiàn)回收并重復(fù)利用；l

若橫板和縱板交替鋪層

，交替界面是最薄弱界面，易發(fā)生錯層；l

對比(A)→

(C)→

(I)→

(F)和(B)→

(D)→

(J)→

(E)可知

，

當(dāng)橫板連續(xù)鋪設(shè)兩層及以上時(shí)

，會顯著降低試件的極限荷載；l

對比(E)和(F)可知

，

當(dāng)橫板連續(xù)鋪設(shè)三層時(shí)

，

試件極限荷載由橫

板粘結(jié)強(qiáng)度控制

，

與縱板數(shù)量無關(guān)；l

對比(E)/(G)、

(F)/(H)、

(I)/(K)、

(J)/(L)可知

，橫板和縱板分散布置比集中布置的性能更好，極限荷載顯著提高；l

對比(B)/(D)/(H)可知

，

在試件的在拉壓側(cè)和中性軸處布置橫板，對極限荷載影響不大

，卻能顯著提升試件的變形能力。

該層鋪設(shè)橫板該層鋪設(shè)縱板L0T9(A)L9T0(B)L2T7(C)L7T2(D)L3T6-Ⅰ(E)L6T3-Ⅰ(F)L3T6-Ⅱ(G)L6T3-Ⅱ(H)L4T5-Ⅰ(I)L5T4-Ⅰ(J)L4T5-Ⅱ(K)L5T4-Ⅱ(L)3.拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)鋪層方案主要內(nèi)容1.背景2.國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電葉片用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉擠板材》3.拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)4.拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造受力性能試驗(yàn)及有限元模擬5.研究現(xiàn)狀與展望鋪層方案制作試樣拉伸試驗(yàn)?

倒角尖端先破壞

，裂紋沿拉擠板邊緣擴(kuò)展；?最大拉伸失效荷載Fmax

=142.37kN

，

最小拉伸失效荷載Fmin

=126.80kN

，

平均拉伸失效荷載Favg

=134.35kN。4.拉擠板材層疊結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造受力性能試驗(yàn)及有限元模擬倒角結(jié)構(gòu)拉伸試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果理論

模

型Ⅰ型張開裂紋Ⅱ型剪切裂紋

Ⅲ型撕開裂紋基于BK

Law的虛擬裂紋閉合法捕捉裂紋擴(kuò)展瞬間所對應(yīng)的荷載有限元模型多條裂紋擴(kuò)展路徑倒角尖端網(wǎng)格加密?

根據(jù)斷裂韌性材性試驗(yàn)獲取GⅠc及GⅡc;?

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象