大型風(fēng)電葉片復(fù)合材料損傷性能的實(shí)驗研究及雜交分析

對大型風(fēng)電葉片復(fù)合材料的損傷力學(xué)性能進(jìn)行了詳盡的實(shí)驗和數(shù)值模擬研究。具體的來說：（1）對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗研究、理論分析和數(shù)值建模，系統(tǒng)研究了GFRP在單軸加載條件下的力學(xué)性能及其隨纖維方位角的關(guān)系，三種方法的研究結(jié)果相吻合。結(jié)果表明，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量依賴于纖維的方向角。在纖維方向上的彈性模量最大，隨著纖維的傾斜，材料的彈性模量出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢。（2）利用有效界面理論對納米增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性性能進(jìn)行了研究。編制了可用于自動化生成納米顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料三維單胞模型的軟件。通過參數(shù)控制，可控制生成的模型是否包含界面，界面是否搭接，界面層可以包含幾個子層，也可以控制生成的納米顆粒形狀（球形、橢球形、圓柱形或者圓餅形）。利用生成的模型，對納米增強(qiáng)復(fù)合材料的界面性能、顆粒大小、顆粒形狀、顆粒體積百分比等因素對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響進(jìn)行了定量研究。（3）對玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基體復(fù)合材料的損傷演化進(jìn)行了數(shù)值模擬。建立了多個不同的損傷模型，比如：單纖維無界面模型，單纖維含纖維/基體界面模型，單纖維含纖維裂紋、界面、基體裂紋模型，多纖維單損傷層模型以及多纖維雙損傷層模型等。（4）對自修復(fù)復(fù)合材料的損傷力學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，如果該種復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)了裂紋，靠近膠囊的裂紋往往易于擴(kuò)展，同時，膠囊內(nèi)部也有損傷發(fā)生并形成了裂紋。這兩種裂紋會出現(xiàn)匯交現(xiàn)象，有利于復(fù)合材料的自修復(fù)功能，即更容易使膠囊中的修復(fù)物質(zhì)流出對材料中的損傷進(jìn)行修復(fù)。通過上述研究，提出大型風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合材料損傷力學(xué)性能的關(guān)鍵控制指標(biāo)，得到大型風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合材料力學(xué)性能的評價模型，形成相應(yīng)評價方法。研究結(jié)果有望對大型風(fēng)機(jī)葉片用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計和制備提供有益的指導(dǎo)。

風(fēng)能作為一種潔凈的可再生能源，越來越受到人們的重視。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最關(guān)鍵、最核心的部件之一是風(fēng)機(jī)葉片，葉片結(jié)構(gòu)和材料決定風(fēng)機(jī)的性能和功率。本項目提出對復(fù)雜條件下大型風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合材料(尤其是玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基體的高分子復(fù)合材料)損傷性能進(jìn)行研究，擬通過實(shí)驗研究和數(shù)值模擬手段，系統(tǒng)研究在不同環(huán)境條件下(溫度和濕度)和不同載荷(靜荷載及疲勞載荷)下纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷演化過程和機(jī)制，在此基礎(chǔ)上，將實(shí)驗結(jié)果和數(shù)值模擬相結(jié)合進(jìn)行雜交分析，進(jìn)一步建立葉片復(fù)合材料的疲勞損傷模型。從而提出大型風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合材料損傷力學(xué)性能的關(guān)鍵控制指標(biāo)，提出風(fēng)機(jī)葉片材料疲勞壽命的預(yù)測方法，得到大型風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合材料力學(xué)性能的評價模型，形成相應(yīng)評價方法。

《復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的缺陷與損傷》致力于提供有關(guān)先進(jìn)復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的缺陷與損傷的詳細(xì)描述。在過去50年中，關(guān)于先進(jìn)復(fù)合材料缺陷與損傷的研究在各種報告和文章中均有討論。20世紀(jì)70年代至90年代期間的大部分研究工作相對于今天對復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的技術(shù)理解來說并沒有失去相關(guān)性。事實(shí)上，目前在復(fù)合材料缺陷和損傷領(lǐng)域的工作僅證實(shí)了早期的相關(guān)研究和成果是相關(guān)的和適用的。

《復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的缺陷與損傷》將過去幾十年關(guān)于復(fù)合材料缺陷與損傷方面的信息、數(shù)據(jù)和知識進(jìn)行了全面的總結(jié)，并將作者本人在職期間對于復(fù)合材料機(jī)身的維護(hù)和修理經(jīng)驗增加到《復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的缺陷與損傷》中，從結(jié)構(gòu)完整性角度研究損傷的危害性，并探討了損傷識別的相關(guān)性，以及如何修復(fù)缺陷和損傷。

《復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的缺陷與損傷》第1章概述了復(fù)合材料的一般應(yīng)用情況以及復(fù)合材料缺陷與損傷的基本定義；第2章對復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的缺陷與損傷類型進(jìn)行描述，根據(jù)尺寸、產(chǎn)生情況和位置等因素對缺陷與損傷進(jìn)行分類，對缺陷與損傷的類型進(jìn)行概括；第3章介紹不同類型的無損檢測（NDI）方法，這些NDI方法可以用于發(fā)現(xiàn)和識別缺陷與損傷，提供不同層次的細(xì)節(jié)和描述；第4章回顧復(fù)合材料缺陷的基本失效模式和機(jī)理，確定應(yīng)力狀態(tài)對具有缺陷的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（第5章）的影響；第5章確定造成結(jié)構(gòu)完整性缺失的一般缺陷類型，如基體開裂、分層和纖維斷裂，并給出相關(guān)建議，以確定影響復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的功能性能的應(yīng)力狀態(tài)和缺陷/損傷嚴(yán)重性；最后，第6章描述用于復(fù)合材料缺陷和損傷修復(fù)的推薦方法。

混凝土結(jié)構(gòu)在施工和服役過程中都會產(chǎn)生損傷。目前，在對結(jié)構(gòu)的安全性分析時，大多因初始損傷難以確定而予以忽略，這將直接影響結(jié)構(gòu)損傷分析的結(jié)果，而涉及混凝土初始損傷的文獻(xiàn)甚少。此外，損傷參數(shù)的確定大多基于實(shí)驗室的小尺寸試件試驗，而實(shí)際工程中需要用損傷參數(shù)對結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行分析的又多是大體積混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸效應(yīng)對損傷參數(shù)的影響不可忽略。本項目將研究混凝土初始損傷問題，并進(jìn)行損傷參數(shù)及其尺寸效應(yīng)研究。通過對混凝土試件的試驗，建立描述混凝土初始損傷的分析模型，提出一種確定初始損傷值的方法；通過不同尺寸混凝土試件的試驗，研究損傷參數(shù)及其與尺寸的關(guān)系，建立實(shí)驗室小尺寸試件損傷參數(shù)與工程結(jié)構(gòu)損傷參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系式。應(yīng)用所確定的初始損傷及損傷參數(shù)進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的損傷場分析，驗證研究成果的合理性。為建立適用于工程結(jié)構(gòu)的損傷分析模型奠定基礎(chǔ)，為大型工程結(jié)構(gòu)的安全性評價提供科學(xué)依據(jù)。 2100433B

國家能源風(fēng)電葉片研發(fā)（實(shí)驗）中心的建設(shè)目標(biāo)是建設(shè)兆瓦級以上大型及超大型風(fēng)電葉片設(shè)計、制造及工藝技術(shù)為主的核心技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新平臺；以建設(shè)高水平的、可持續(xù)的科技創(chuàng)新能力為主線，為風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供核心技術(shù)和裝備；建設(shè)世界級的風(fēng)電葉片研發(fā)中心及公共實(shí)驗平臺；成為國際知名的風(fēng)電葉片檢測中心；成為風(fēng)電葉片研究與制造領(lǐng)域有影響的國際合作科研平臺，并成為國際重要的風(fēng)電技術(shù)研究基地和高層次人才培養(yǎng)基地。

“十二五”期間，中心將進(jìn)一步開展風(fēng)能利用關(guān)鍵技術(shù)及新技術(shù)開發(fā)，主要攻關(guān)新一代風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的 "瓶頸"技術(shù)，通過研制開發(fā)新型葉片及相關(guān)關(guān)鍵核心技術(shù)，促進(jìn)我國風(fēng)電行業(yè)自主創(chuàng)新能力的提升；通過國際一流的實(shí)驗條件和關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)，為風(fēng)電行業(yè)培養(yǎng)專業(yè)型技術(shù)人才，同時開展風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域的技能和管理培訓(xùn)，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模；通過與國外同類機(jī)構(gòu)、大學(xué)或科研院所，共同探討風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域問題，加強(qiáng)交流與合作，積極借鑒國外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗，擴(kuò)大中心的國際影響力。

國家能源風(fēng)電葉片研發(fā)（實(shí)驗）中心擁有國內(nèi)一流的學(xué)術(shù)帶頭人及研發(fā)團(tuán)隊，實(shí)行中心主任負(fù)責(zé)制, 設(shè)有學(xué)術(shù)委員會把握科研方向。中心緊跟國際風(fēng)電葉片前沿技術(shù)的發(fā)展，在建立具有中國特色的風(fēng)電葉片設(shè)計開發(fā)體系，開展葉片研究、設(shè)計、制造、試驗的理論、技術(shù)和工藝研究，在風(fēng)能利用基礎(chǔ)理論研究、風(fēng)電葉片的開發(fā)研制及成果轉(zhuǎn)化，風(fēng)電葉片檢測技術(shù)體系與檢測標(biāo)準(zhǔn)研究等方面已在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平 。

中心成立以后，曾先后參與了國家發(fā)改委、能源局、科技部、自然科學(xué)基金委、中國科協(xié)及中科院“十二五”期間風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的政策咨詢及科研規(guī)劃等起草工作，為國家制定風(fēng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供了有益的建議。

■ 研究領(lǐng)域

研究領(lǐng)域包括航空發(fā)動機(jī)研究、風(fēng)能利用研究。充分發(fā)揮實(shí)驗室在流體力學(xué)、空氣動力學(xué)學(xué)科方面的綜合優(yōu)勢，將基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品研制相結(jié)合，為我國航空動力技術(shù)和風(fēng)能技術(shù)的應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)和關(guān)鍵技術(shù)支撐。

■ 研究方向

1、 MW級大型風(fēng)電葉片研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化：5MW海上風(fēng)電葉片的氣動及結(jié)構(gòu)設(shè)計；針對我國風(fēng)場地形與氣候特點(diǎn)的風(fēng)資源評估及預(yù)報技術(shù)研究；風(fēng)電葉片檢測標(biāo)準(zhǔn)集技術(shù)研究；風(fēng)電葉片噪聲控制研究；智能葉片研發(fā)；風(fēng)能儲能系統(tǒng)和海水淡化技術(shù)的研究以及海上風(fēng)能利用技術(shù)開發(fā)。

2、 燃?xì)廨啓C(jī)/航空發(fā)動機(jī)：對轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵部件的研究；100KW燃?xì)廨啓C(jī)總體及關(guān)鍵部件的設(shè)計與試驗；微小型燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)研究。

■ 機(jī)構(gòu)及人員組成

實(shí)驗室目前在職職工20人，其中中國科學(xué)院院士1名，研究員3名，副研究員6名。研究生39人，其中博士研究生20人，碩士研究生19名。返聘專家2人。

■ 2011年項目情況

2011年度本實(shí)驗室爭取新項目6項，其中國家自然科學(xué)基金項目1項，國家能源局項目1項、院其它項目1項、企業(yè)委托項目2項，國家科技支撐計劃項目子課題1項。

■ 2011年主要成果與工作進(jìn)展

中心2011年度在科研方面進(jìn)行的工作主要有：國家973項目子課題“微小型燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)”順利通過中期檢查；實(shí)驗室承擔(dān)的軍品項目進(jìn)展順利；國家能源局“風(fēng)電葉片試驗與檢測關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范”項目進(jìn)展順 利；中丹科技合作專項項目“基于中國復(fù)雜風(fēng)資源特點(diǎn)的風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究”已開展多次技術(shù)交流，項目按計劃要求進(jìn)展順利；國家自然科學(xué)基金青年基金“非定常運(yùn)動風(fēng)電葉片的噪聲機(jī)理研究及生源 相關(guān)性耦合分析”按進(jìn)度完成流場和聲場的數(shù)值建模；開展2.5MW/3.0MW風(fēng)電機(jī)組葉片的設(shè)計工作，設(shè)計通過整機(jī)校核，效果良好；完成了6MW風(fēng)電葉片氣動及結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計；完成發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)氣動設(shè)計與試驗件設(shè)計加工；完成發(fā)動機(jī)渦輪氣動設(shè)計；完成廊坊基地暫沖式實(shí)驗臺設(shè)計；開展新型空氣渦輪火箭發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究；組織舉辦2011年海上風(fēng)能與海洋能國際會議；開展與國際知名丹麥DTU技術(shù)大學(xué)、Resoe實(shí)驗室和NREL美國可再生能源實(shí)驗室合作與技術(shù)交流活動；與英國Narec合作開展檢測技術(shù)研究；與荷蘭能源研究中心(ECN)，WMC，Delft大學(xué)等國外研究機(jī)構(gòu)開展了合作交流；與華銳、金風(fēng)、國電、東汽等主機(jī)廠開展深入合作；建設(shè)小型風(fēng)洞一座；參與參加自然科學(xué)基金委、國家能源局、中國科學(xué)院、科技部等“十二五”規(guī)劃風(fēng)能方向的制定；參與863課題規(guī)劃；參與北京科委的風(fēng)光工程起草工作。

本年度共發(fā)表（含已錄用）各類學(xué)術(shù)論文55篇，其中3篇發(fā)表在SCI源刊，33篇發(fā)表EI源刊。宣讀的會議論文18篇，其中國際會議口頭報告或報告6篇，國內(nèi)會議邀請報告3篇。申請專利25項，其中發(fā)明專利13項、實(shí)用新型12項，已有9項專利獲得授權(quán)，申請軟件著作權(quán)1項。招收研究生6名，其中2名博士研究生于2011年畢業(yè)。

（以上數(shù)據(jù)截止2011年12月31日）

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