法國巴黎—科利爾航空航天公司（Collier Aerospace Corp.）在JEC World 2022上發(fā)布其新的HyperX®結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)軟件，展示該工具在確定7.4米天然纖維復(fù)合材料風(fēng)力渦輪機(jī)葉片尺寸方面的實(shí)際應(yīng)用。葉片的開發(fā)是由韓國洪基克大學(xué)海軍建筑和海洋工程系與軟件經(jīng)銷商Samwon Millennia，Inc.合作完成的。總之，目的是評(píng)估用天然植物基亞麻纖維增強(qiáng)材料替代E玻璃纖維的可行性，以減少報(bào)廢葉片對(duì)環(huán)境的影響。
除了確定尺寸，科利爾航空航天公司（Collier Aerospace）還使用HyperX軟件定義材料和鋪層，并確定尺寸，以幫助確保葉片滿足團(tuán)隊(duì)的所有性能要求。新軟件在葉片的整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段使用，包括層壓板堆疊序列、鋪層邊界和鋪層堆疊順序。
“科利爾航空航天公司（Collier Aerospace）的HyperX軟件功能令人印象深刻，在天然纖維復(fù)合材料風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的設(shè)計(jì)和開發(fā)方面產(chǎn)生了難以置信的不同表現(xiàn)，”，洪尼克大學(xué)的Yeonseung（Y.s.）Lee教授說。“由于該軟件一次優(yōu)化了所有需求，而不是一次優(yōu)化一個(gè)需求，因此，盡管天然材料的機(jī)械性能較低，但我們的團(tuán)隊(duì)仍能快速找到可行的解決方案。科利爾航空航天公司提供的專家協(xié)助我們的團(tuán)隊(duì)確定了一種可行的葉片設(shè)計(jì)，該葉片主要由天然纖維增強(qiáng)。”
“這個(gè)風(fēng)機(jī)葉片項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求包括在最小重量下的成本效益和可靠性，以幫助年發(fā)電量最大化，”，科利爾航空航天公司工程總監(jiān)詹姆斯·安斯沃思（James Ainsworth）說，“我們最大的挑戰(zhàn)是滿足天然纖維復(fù)合材料的性能要求，它在環(huán)氧樹脂中提供的剛度和強(qiáng)度不如E-玻璃纖維。使用HyperX軟件，我們提供了優(yōu)化亞麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉片的設(shè)計(jì)幫助，以滿足撓度限值，以確保風(fēng)塔間隙，確定梁帽位置和每個(gè)展向截面的厚度，并減少質(zhì)量，以降低疲勞負(fù)荷及延長使用壽命。”
降低環(huán)境影響
由于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片難以進(jìn)行商業(yè)回收，各集團(tuán)正在研究以比填埋更環(huán)保的方式處置報(bào)廢葉片的方法，或者重新收集材料，以便在后續(xù)應(yīng)用中重復(fù)使用。韓國研究中采用的另一種方法是，在設(shè)計(jì)過程開始時(shí)，選擇使用天然纖維增強(qiáng)材料，而不是碳纖維或玻璃纖維，以減少環(huán)境影響。首先，與碳纖維或玻璃纖維的生產(chǎn)相比，天然纖維的種植、收獲和清潔的能耗要低得多。其次，由于天然纖維來源于活的植物，因此在生長周期中，天然纖維會(huì)隔離二氧化碳和氮，然后在用作復(fù)合增強(qiáng)材料的過程中，將這些氣體鎖在植物組織中。
最終的葉片設(shè)計(jì)采用了天然纖維和E-玻纖增強(qiáng)的混雜。它比原來的玻璃纖維增強(qiáng)葉片稍重（7.4%），但從技術(shù)上講，這種額外的重量被認(rèn)為是可以承受的，以獲得使用天然纖維的環(huán)境效益。目前，正在使用真空輔助樹脂灌注成型生產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片。