風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如我們?cè)跉鈩?dòng)部分所提到的，葉片的設(shè)計(jì)初衷就是獲得動(dòng)力學(xué)效率和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的平衡。材料和工藝的選擇決定了葉片最終的實(shí)際厚度和成本。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在如何將設(shè)計(jì)原則和制造工藝相結(jié)合的工作中扮演著重要角色，設(shè)計(jì)人員必須找出在保證性能與降低成本之間的最優(yōu)方案。葉片上承受的推力驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。推力的分布不是均勻的而是與葉片長(zhǎng)度成比例分布。葉尖部承受的推力要大于葉根部。如此設(shè)計(jì)的原因在前文已經(jīng)提到過(guò)。外部的推力除了驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，也會(huì)使其產(chǎn)生一定的彎曲。從葉根到葉尖彎曲程度逐漸加大。葉尖處距離支點(diǎn)最遠(yuǎn)因此變形量最大。葉根承受最大的力矩，在葉尖處力矩為零。力矩和葉片位置關(guān)系圖因此在葉片設(shè)計(jì)中，葉根部具有最大的厚度和最高的強(qiáng)度，向葉尖部過(guò)渡的過(guò)程中厚度逐漸減小。這也符合空氣動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)要求：尖部弦長(zhǎng)最短，牽引力最為重要因此需要較薄的厚度。此外在強(qiáng)風(fēng)條件下葉片需要停轉(zhuǎn)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，葉尖部較薄的結(jié)構(gòu)更容易停下。葉根部的弦長(zhǎng)最大，產(chǎn)生的推力最小，葉殼鋪層厚度的增加可以提高推力。但是為了達(dá)到需要的強(qiáng)度和模量而設(shè)計(jì)的鋪層厚度已經(jīng)超過(guò)了氣動(dòng)設(shè)計(jì)所需要的最佳厚度，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考量。WEHandbook-3-StructuralDesign如果葉片內(nèi)部采取實(shí)心結(jié)構(gòu)則厚度的設(shè)計(jì)就變得非常簡(jiǎn)單，只需要依據(jù)彎曲力矩進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。但實(shí)心結(jié)構(gòu)受力時(shí)，葉片向下彎曲時(shí)上表面的材料受到拉力，下表面的材料受到壓力，中間部分的材料受力較少而沒(méi)有發(fā)揮出最大的作用。因此為了降低生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)中可以去除一些不必要的材料，所以常見的葉片都采用了中空式設(shè)計(jì)。還有一種極端的設(shè)計(jì)方案，就是將葉片分成上下兩部分，中間完全不用任何連接。而實(shí)際應(yīng)用中無(wú)論從剪切強(qiáng)度和空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)上考量這種設(shè)計(jì)都是不可行的。首先從空氣動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)整個(gè)葉殼必須是連續(xù)的整體。此外從剪切強(qiáng)度出發(fā)如果沒(méi)有任何連接，兩部分沒(méi)有形成一體，使用中會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，也不能承擔(dān)彎曲載荷，葉片中連接上下梁帽的連接部件稱為抗減腹板。這種設(shè)計(jì)與工字梁的原理相同。SteelI-BeamBladewithsparcaps&shearwebBladewithboxspar葉片的整體結(jié)構(gòu)原理上與工字梁相同，區(qū)別只是在于為了形成空氣動(dòng)力學(xué)外形在工字梁外面包裹了一層葉殼。主要的彎曲載荷由梁帽承擔(dān)，葉殼只承擔(dān)少量彎曲載荷。剪切腹板的連接方式主要有兩種：上下兩片梁帽加以中間腹板連接，或者是梁帽和腹板做成一體稱為盒式大梁，再通過(guò)結(jié)構(gòu)膠與葉殼粘接?，F(xiàn)代的風(fēng)機(jī)葉片主要采用玻璃鋼材料生產(chǎn)，玻璃鋼與木材和金屬相比具有更高的比強(qiáng)度，尤其適用于制造像風(fēng)機(jī)葉片之類的大尺寸薄層構(gòu)件。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)葉片中主要載荷集中在一個(gè)方向，便于纖維布的鋪設(shè)。例如梁帽中所有纖維都沿著葉片長(zhǎng)度方向排列，因?yàn)槿~片長(zhǎng)度方向是彎曲載荷的主要加載方向（上表面受拉伸載荷，下表面受壓縮載荷）。腹板中的纖維鋪放應(yīng)為對(duì)角取向，這樣可以確保在腹板與梁帽交接處纖維取向與所有方向都成45度角。WEHandbook-3-StructuralDesign上圖所示是由三根棒材通過(guò)固定銷連接而成的框架結(jié)構(gòu)。在對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)施加載荷時(shí)，框架會(huì)由長(zhǎng)方形變成菱形，棒材尺寸沒(méi)有發(fā)生變化，而對(duì)角線尺寸則發(fā)生了明顯改變，一條伸長(zhǎng)另一條縮短。因此為了保證框架剛性需要增加兩個(gè)對(duì)角方向的固定棒材。通過(guò)增加更多的對(duì)角棒材可以延長(zhǎng)框架的長(zhǎng)度直至形成一個(gè)長(zhǎng)梁結(jié)構(gòu)，每一部分都需要有對(duì)角棒材保證剪切剛性。兩個(gè)棒材缺一不可，一個(gè)承擔(dān)拉伸載荷，另一個(gè)承擔(dān)壓縮載荷。整體載荷達(dá)到平衡，橫向保證上下梁帽均勻分開，縱向保證梁帽不發(fā)生剪切滑動(dòng)。單向織物用于制造梁帽，±45°雙向織物用于制造抗剪腹板，在梁帽制備中也會(huì)用到一些雙向織物，目的是為了在單向織物間傳遞載荷。對(duì)于使用盒式大梁的葉片，采用雙向織物與單向織物交叉鋪放方式。對(duì)于使用抗剪腹板的葉片，采用附加雙向織物增強(qiáng)的方式。對(duì)于后者在制造中需要特別注意抗剪腹板和梁帽的充分重疊，以保證載荷可以通過(guò)相對(duì)較弱的結(jié)構(gòu)膠粘合面順利傳遞。WEHandbook-3-StructuralDesign3幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)人員可以在不改變?nèi)~片幾何外形的條件下，通過(guò)調(diào)整梁帽的薄厚來(lái)改變?nèi)~片性能，降低生產(chǎn)成本。厚度較薄的葉片需要配以更厚的梁帽，這樣做卻增加了生產(chǎn)成本。同時(shí)腹板強(qiáng)度也需要提高，但因?yàn)楹穸茸儽∷钥偟牟牧嫌昧繘](méi)有明顯變化。綜上所述，幾何尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要從風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，載荷分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造成本等多方面綜合考量才能獲得最佳的結(jié)果。眾所周知在疲勞外力作用下，部件往往會(huì)在較低的載荷下發(fā)生破壞，而這個(gè)載荷遠(yuǎn)低于斷裂載荷。例如在金屬結(jié)構(gòu)中的金屬疲勞現(xiàn)象，一個(gè)很好的例子是當(dāng)一個(gè)金屬材質(zhì)的調(diào)匙被反復(fù)的彎曲后最終會(huì)發(fā)生斷裂。與金屬材料相同其他材料包括玻璃鋼復(fù)合材料也存在疲勞現(xiàn)象。木材具有相對(duì)較好的疲勞性能，因此在小尺寸葉片中被大量采用，但由于木材的比強(qiáng)度不如玻璃鋼高，而限制了其在大尺寸葉片中的應(yīng)用。在實(shí)際使用中，葉片受到的推力會(huì)因?yàn)橹T多因素的影響而不斷變化，這些因素包括風(fēng)速，風(fēng)切變，偏航誤差和擾流等。當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)機(jī)朝向不同時(shí)，葉片的攻角，推力都會(huì)隨著風(fēng)機(jī)的調(diào)整而發(fā)生變化。推力的作用方向是在翼面向上，推力推動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)。翼緣向上會(huì)受到葉片自重產(chǎn)生的載荷，自重載荷在葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)葉片施加反向的作用力。降低許用設(shè)計(jì)載荷是防止疲勞失效的最簡(jiǎn)單的方法。疲勞性能測(cè)試就是通過(guò)反復(fù)多次的加載卸載來(lái)得到載荷與發(fā)生失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)曲線。SPX8080/EGL1600/32%.FVF=54%.24MicronOCFR25HR=0.1Frequency=4HzRemainingstaticstrength=97%典型風(fēng)機(jī)葉片的疲勞載荷-循環(huán)次數(shù)曲線WEHandbook-3-StructuralDesign通常情況下葉片的設(shè)計(jì)壽命為20年，在這期間要經(jīng)受相當(dāng)于1千萬(wàn)次的循環(huán)載荷，許用載荷為靜態(tài)最大載荷的30%。許用應(yīng)力主要取決于材料本身，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧預(yù)浸料可以經(jīng)受50%最大載荷下循環(huán)1千萬(wàn)次，而玻璃纖維增強(qiáng)乙烯基酯只能承受不到20%的最大載荷。降低許用設(shè)計(jì)載荷是防止疲勞失效的最簡(jiǎn)單的方法。或者是采用較大的安全因子，但是這樣則會(huì)導(dǎo)致較多的材料浪費(fèi)。更加復(fù)雜的分析著眼于載荷隨時(shí)間的變化（載荷圖譜），并采用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算不同載荷下的循環(huán)次數(shù)。常用的方法是循環(huán)計(jì)數(shù)雨流法。通過(guò)應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)圖中消耗的葉片壽命可以計(jì)算出每種載荷產(chǎn)生的破壞程度。例如某種載荷在1000次循環(huán)后失效，而載荷圖譜預(yù)計(jì)破壞次數(shù)是200次，則20%的使用壽命被消耗掉。如果假設(shè)每種載荷下的損傷可以累積，就可以根據(jù)載荷圖譜得到全部的疲勞壽命消耗情況。例如在某種載荷下20%的壽命被消耗，而在另一個(gè)更低的載荷下循環(huán)更多次后35%的壽命被消耗掉。如果累計(jì)的消耗達(dá)到100%，葉片就會(huì)在設(shè)計(jì)壽命前發(fā)生失效破壞。葉殼的作用主要是提供空氣動(dòng)力學(xué)外形，同時(shí)也起到增強(qiáng)大梁強(qiáng)度和剛性的作用，也提高了葉片抵抗扭曲載荷的能力。與抗彎性能一樣，部件尺寸越大，抗扭曲載荷能力越強(qiáng)，而葉殼的橫截面積要明顯大于盒式大梁。扭曲變形時(shí)的主要載荷是剪切，因此如前面提到的抗剪腹板一樣，葉殼中也要用到一定比例的對(duì)角分布纖維布。葉殼中也包含沿長(zhǎng)度方向分布的纖維，在一定程度上起到輔助梁帽承擔(dān)彎曲載荷的作用。但更為重要的作用是增加翼緣向的抗彎強(qiáng)度。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)梁中當(dāng)承力材料距離越遠(yuǎn)整體性能越好（與在翼面向彎曲的梁帽相同）。葉殼的截面積遠(yuǎn)大于盒式大梁，因此可以更好地增加翼緣向的彎曲剛度。翼緣向的彎曲是由于葉片自重產(chǎn)生的，葉根部的彎曲力矩最大，因此整個(gè)葉片的重心也在葉根附近。盡管葉殼可以承擔(dān)大部分的翼緣向彎曲載荷，通常情況下在后緣靠近葉根部還需要鋪設(shè)附加的增強(qiáng)層以提高抗彎性能。WEHandbook-3-StructuralDesign如果葉殼全部采用玻璃鋼復(fù)合材料制造，達(dá)到要求的強(qiáng)度所需厚度只有幾毫米。但是因?yàn)閺牧好钡胶缶壍木嚯x有1米多長(zhǎng)，如果采用幾毫米的厚度則剛度不足。這也會(huì)導(dǎo)致空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和發(fā)生脫粘現(xiàn)象。增加玻璃鋼層的厚度可以解決這個(gè)問(wèn)題，但又會(huì)導(dǎo)致重量和成本增加。因此葉殼部分多采用內(nèi)部夾雜低密度芯材的夾芯結(jié)構(gòu)。常用芯材多為硬質(zhì)泡沫或輕木。夾芯結(jié)構(gòu)的工作原理和工字梁以及盒式大梁相同，芯材主要承擔(dān)剪切載荷，上下表層提供彎曲剛性。在放置梁帽處一般不鋪放芯材，這樣做可以增大梁帽間的距離，如上所述這樣做會(huì)提高整體的抗彎強(qiáng)度。在空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)章節(jié)中提到為了與輪榖相連接，葉根部分通常設(shè)計(jì)為圓形。同時(shí)為了滿足維護(hù)等需要，葉片根部多以螺栓連接以便于拆裝。對(duì)于金屬大梁可以采用焊接的法蘭連接，但這種方法不適用于玻璃鋼大梁。因?yàn)樵诜ㄌm周圍的樹脂中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。大部分葉根設(shè)計(jì)是在玻璃鋼根部留出螺栓孔，再將螺栓旋入或通過(guò)粘合劑粘接。載荷通過(guò)螺栓傳遞，這種設(shè)計(jì)要求在輪榖內(nèi)設(shè)置螺母。無(wú)論是剪切腹板還是盒式大梁都需要和根部輪箍連接，盒式大梁可以在中央芯軸上纏繞鋪層，這種方法可以得到從根部圓形到前端方形的平滑過(guò)渡，這種方式由于根部鋪層較厚因此需要的生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。較厚的鋪層更易產(chǎn)生放熱問(wèn)題，同時(shí)對(duì)鋪層的質(zhì)量也要求較高。因此一些生產(chǎn)商將葉根作為獨(dú)立部件生產(chǎn)，再將各部件粘接到一起。這種情況下如果粘合失效會(huì)導(dǎo)致致命的破壞。總之，完美的粘接需要縝密的設(shè)計(jì)加上高強(qiáng)度耐疲勞的粘合劑作為保證，此外還需特別注意避免粘接面的應(yīng)力集中。WEHandbook-3-StructuralDesign上文我們討論了葉片的強(qiáng)度，而葉片的剛性也是至關(guān)重要的。強(qiáng)度和剛性是兩個(gè)完全不同的性能指標(biāo)，以橡膠帶為例，它很容易伸長(zhǎng)但卻難以斷裂，所以說(shuō)橡膠帶強(qiáng)度高但剛性差。再比方說(shuō)雞蛋皮就屬于剛性好但強(qiáng)度差的材料。如果葉片的剛性不夠，使用中可能會(huì)遇到幾個(gè)問(wèn)題，這些問(wèn)題都和塔架有關(guān)。常見的塔架多為圓筒形，氣流會(huì)在順風(fēng)向形成湍流，處于順風(fēng)向的風(fēng)機(jī)葉片當(dāng)通過(guò)湍流區(qū)時(shí)會(huì)受到不斷變化的推力，這會(huì)降低發(fā)電效率并加大疲勞載荷。因此多數(shù)設(shè)計(jì)者將風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為迎風(fēng)型。但當(dāng)迎風(fēng)型風(fēng)機(jī)葉片發(fā)生彎曲變形時(shí)，很容易發(fā)生撞擊塔架的事故，所以我們要求葉片具有較強(qiáng)的剛性，能夠減小變形量防止撞擊塔架。通常情況下規(guī)定運(yùn)行中最大變形量不能超過(guò)靜止條件下葉尖與塔架距離的70%。避免撞擊的一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法就是加大靜止時(shí)的葉尖和塔架間距，可以調(diào)整轉(zhuǎn)子位置或是傾斜一定角度，還可以設(shè)計(jì)預(yù)彎型葉片或是錐形葉片。在實(shí)際應(yīng)用中這些方案都或多或少地存在一些問(wèn)題，例如降低空氣動(dòng)力學(xué)效率，增加生產(chǎn)成本（例如加大間距型風(fēng)機(jī)需要更高性能的機(jī)艙軸承）等另外的一個(gè)問(wèn)題是即使是迎風(fēng)型葉片仍然會(huì)承受塔架周圍的波動(dòng)氣流壓力。這將增加疲勞載荷（盡管沒(méi)有順風(fēng)型風(fēng)機(jī)嚴(yán)重）。更為重要的是將引起葉片共振。共振現(xiàn)象就像孩子在蕩秋千，如果持續(xù)以相同的頻率施加外力給秋千，秋千會(huì)越蕩越高，如果以不同的頻率施加外力，秋千就會(huì)變低。葉片產(chǎn)生的共振會(huì)顯著地增加擺動(dòng)，加大葉片以及輪榖和傳動(dòng)軸承的疲勞載荷。因此葉片必須具有較高的剛性和較輕的重量以防止掃過(guò)塔架時(shí)產(chǎn)生共振。而為了提高剛性增加的材料又會(huì)導(dǎo)致自重升高，因此必須通過(guò)加厚葉片來(lái)改變自身的震動(dòng)頻率。葉片通過(guò)連接件與輪轂連接，每個(gè)葉片的振動(dòng)都會(huì)影響到其他葉片。因此每只葉片自身的振動(dòng)頻率都不能和自身或其他葉片掃過(guò)塔架的頻率相同。例如，如果一個(gè)葉片以每2秒鐘的頻率掃過(guò)塔架，則葉片自身的振動(dòng)頻率就不能是1秒或3秒。對(duì)于變速風(fēng)機(jī)而言，這種要求更加難以實(shí)現(xiàn)玻璃鋼復(fù)合材料中最為常用的增強(qiáng)纖維是碳纖維和芳綸纖維。碳纖維的強(qiáng)度是玻纖的兩倍，模量是玻纖的3倍。高模量使得碳纖維復(fù)合材料具有更好的疲勞性能。但是因?yàn)樘祭w維的造價(jià)高昂，因此只被用在葉片中要求高強(qiáng)度和模量的部分。WEHandbook-3-StructuralDesign通常碳纖維被用在大尺寸葉片的梁帽中（超過(guò)80米直徑），這是因?yàn)榇蟪叽绲膭傂暂^差，在不增加附加材料的情況下不能滿足設(shè)計(jì)要求。而附加材料不但會(huì)增加葉片重量，還會(huì)降低自身頻率（引發(fā)共振問(wèn)題）以及增加疲勞載荷。基于以上原因，盡管成本上有所增加，但由此換來(lái)的性能提升和重量降低使碳纖維應(yīng)用成為可能。理論上葉片的重量與長(zhǎng)度的三次方成正比，而輸出功率與長(zhǎng)度的二次方成正比。我們知道制造成本和重量也是成正比關(guān)系的，因此長(zhǎng)度的增加并不一定代表發(fā)電成本的降低，除非因?yàn)樾略龉β蕩?lái)的成本降低可以彌補(bǔ)重量增加導(dǎo)致的成本升高。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何降低葉片重量，例如選用低密度的碳纖維等。翼面向受到推力作用產(chǎn)生彎曲載荷是葉片最主要的外加載荷。因此葉片設(shè)計(jì)中首先要考慮的就是抗剪腹板和梁帽的組合是否能夠承擔(dān)這一彎曲載荷。如我們?cè)诒菊麻_始提到的，葉片的設(shè)計(jì)就是在動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間取得一個(gè)平衡。而兩者都會(huì)對(duì)最終的發(fā)電成本產(chǎn)生重要影響。設(shè)計(jì)的過(guò)程就是通過(guò)分析厚度分布對(duì)發(fā)電效率和葉片重量的影響來(lái)找到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)的過(guò)程是一個(gè)反復(fù)驗(yàn)證的過(guò)程。在設(shè)計(jì)方案確定前只能預(yù)估葉片的最終重量，而在準(zhǔn)確的重量數(shù)值獲得后，也許需要重新調(diào)整設(shè)計(jì)方案，因?yàn)橹亓康淖兓瘯?huì)改變受力情況。我們可以通過(guò)降低許用應(yīng)力的方法來(lái)避免疲勞失效。如果無(wú)法獲得疲勞性能數(shù)據(jù)，可以根據(jù)GL提供的安全因子進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常數(shù)值為玻纖1千萬(wàn)次安全因子是5,碳纖維1千萬(wàn)次安全因子是3。在彎曲載荷確定后，接下來(lái)就是檢查葉殼的抗扭剛性和防脫粘性。根部的設(shè)計(jì)要滿足傳遞載荷的要求，粘接處要避免內(nèi)應(yīng)力集中。接下來(lái)的工作就是通過(guò)一些分析手段進(jìn)行詳細(xì)的分析，例如有限元分析軟件，通過(guò)三維虛擬模型將葉片分成上千個(gè)單元，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出每個(gè)單元的受力情況和施加載荷后的變化情況，最后歸納出整個(gè)葉片的受力分析和變形情況。失效前葉根部FEA受力分析示意圖如果對(duì)某些部位的疲勞性能有所擔(dān)心，就可以通過(guò)FEA分析得到更加詳細(xì)的信息。對(duì)于承載能力較差的區(qū)域可以通過(guò)分析載荷圖譜計(jì)算出葉片使用過(guò)程中的累積破壞，并確切的知道是否會(huì)發(fā)生提前破壞。下圖表明了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本流程以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的相互關(guān)系WEHandbook-3-StructuralDesign0WEHandbook-3-StructuralDesign與其他的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一樣，風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需要安全因子來(lái)保證安全和預(yù)防不可預(yù)知的問(wèn)題，例如不準(zhǔn)確的假定，葉片尺寸的變化，載荷與材料的變化等等。簡(jiǎn)單的說(shuō)安全因子就是通過(guò)放大外部載荷或降低設(shè)計(jì)許用載荷將失效的可能性降到最低。風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范采用更為精確的部分安全因子，也就是說(shuō)總的安全因子等于多個(gè)部分安全因子的乘積。每個(gè)部分安全因子都針對(duì)一個(gè)方面，例如載荷的不確定性，材料的老化，制造工藝和原材料的變異。部分安全因子可以更加精確地控制葉片制造過(guò)程中的各項(xiàng)變異。此外還有一個(gè)失效重要性因子，如果風(fēng)機(jī)中的某個(gè)部件占有決定性的重要地位，那么這個(gè)部件的失效重要性因子就會(huì)明顯高于其他非重要部件。在沒(méi)有測(cè)試數(shù)據(jù)的情況下，為了保證葉片的安全使用，通常會(huì)設(shè)定非常高的材料強(qiáng)度部分安全因子。最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的測(cè)試方法就是采用小尺寸試樣進(jìn)行斷裂強(qiáng)度和疲勞性能的測(cè)試。通過(guò)測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析得出實(shí)際使用中材料的最低性能稱為特征值。實(shí)驗(yàn)需要重復(fù)進(jìn)行且每個(gè)試樣都要從不同的批次抽取，至少測(cè)試20個(gè)數(shù)據(jù)后計(jì)算出特征值，一般情況下特征值的選擇基于95%的置信區(qū)間，即95%的材料性能符合特征值要求。最后再將特征值乘以部分安全因子后得到許用載荷。完整流程如下：樣品測(cè)試…平均值&標(biāo)準(zhǔn)差分析…特征值…部分安全因子…設(shè)計(jì)許用載荷復(fù)合材料的強(qiáng)度通常以應(yīng)變（材料所能承受的最大變形量）表征，而不是以應(yīng)力（單位面積的最大力）表征。這是因?yàn)閺?fù)合材料的應(yīng)力隨厚度變化而變化，又受到纖維取向的影響，這使得失效應(yīng)力的計(jì)算十分復(fù)雜。而失效應(yīng)變相對(duì)較為穩(wěn)定。因此多采用應(yīng)變作為分析指標(biāo)。在設(shè)計(jì)完成后需要制造樣機(jī)，并模擬使用中的受力情況測(cè)試最大彎曲強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。WEHandbook-3-StructuralDesign葉片的設(shè)計(jì)壽命一般為20年，而測(cè)試中只能通過(guò)加速疲勞試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證葉片的疲勞性能，通過(guò)這種方法疲勞試驗(yàn)一般可在幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)外形設(shè)計(jì)，極端條件下的材料性能和疲勞載荷以及制造工藝的綜