最近发表在《复合材料结构》（Composite Structures）期刊上的一篇文章中，来自于中科院工程热物理所的研究人员分析了在严重静载荷下38米分段风力涡轮机叶片的结构反应和设计。

由于具有优越的性能，纤维增强聚合物复合材料（fiber-reinforced polymer composites，FRPC）在各种行业中的应用不断增加。风力涡轮机（wind turbine，WT）叶片的长度一直在稳步增长，从而可以在降低成本的同时捕获更多风能。

但是，过长的WT叶片可能会导致运输问题，因为其长度通常超过道路和交通车辆的尺寸。为了解决这些问题，提出了具有不同分段的分段叶片。此外，连接螺栓强度尤其是疲劳强度，是一个关键且具有挑战性的问题。

研究进展

在这项研究中，研究人员介绍了基于38米商用风力涡轮机叶片的具有独特连接和复合材料布置的分段构造和设计。根据国际标准，原型叶片在强静载荷下进行了测试。

试验记录了翼梁帽、夹层结构和剪力腹板的应变，以及相邻节段的接触状态和螺栓荷载。针对38米长的分段叶片的制造和设计，提出了合适的连接配置和围绕分割区域的最佳层压模式，以分析其整体和连接特性，从而提高分段叶片的可靠性。

研究人员在四个方向进行了一次全面的极限静态测试，以满足商用叶片的标准。通过观察加载点的挠度、结构稳定性和几个关键截面的材料强度，研究整体结构响应，并确定螺栓接头的接触状态和分割截面处的螺栓载荷，以研究多螺栓接头预载不足情况下的承载特性。

该团队在连接设计和复合材料布局方面提出了一种有前途的替代方案，用于制备商用分段叶片。它显示了分段叶片的整体可靠性和成本效益。讨论了具有所提出特性的分段叶片的设计和生产。描述了实验的设置和测试时间表。从材料强度、叶片挠度、分段连接的状态和应力以及结构稳定性方面对全尺寸截面叶片的试验结果进行了分析。

测试内容

在螺栓应变的40%和100%最小襟翼载荷下，分析方法（φ=0.168和φ=0.194）与实验结果吻合良好。所有结果都很小，小于800µε。15m段WT叶片（PS）内压侧的应变波动不稳定，在加载和卸载操作之间表现出显著差异，峰值压缩应变小于200µε。

分段和非分段叶片的质量分别为6462 kg和5850 kg。与非分段叶片相比，分段叶片的质量增加了10.5%。额外的设备包括定位法兰和螺栓，可以重复使用多次。根据经验，上述设备的额外成本确定为2.0%。与非分段38米商用叶片相比，分段叶片的总体生产成本增加了8.22%。

研究发现，分段式叶片能够承受施加在商用叶片上的极端静应力，叶片的分段连接承受了超过122%的极端静载荷，且未发现任何损坏。在所有加载情况下，分段叶片的挠度均随加载和卸载过程中施加的载荷线性变化。完全卸载后，残余挠度较小，未检测到整体刚度退化。

主要结论

总之，本研究阐明了基于典型38米商用叶片的独特连接配置和复合材料布局的分段叶片设计和制造，以及根据国际标准在极端静载荷下对原型叶片进行的实验测试。与等效的非分段叶片相比，分段叶片成功地抵抗了极端静态应力，只增加了很小的制造成本。

研究人员指出，所提出的方法可用于设计分段叶片的多螺栓接头。为了最大限度地减少分段连接的界面分离，需要改进分段连接用多螺栓接头的设计，为了进一步验证分段叶片的可靠性，必须在未来的工作中进行更多的试验，尤其是疲劳试验。