Carbon fiber and glass fiber mixed design and structural performance analysis for large wind turbine blade

FAN Shijie; MIAO Weipao; LI Chun; WANG Haisheng; ZHU Haibo; YUE Minnan

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.02.014

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Carbon fiber and glass fiber mixed design and structural performance analysis for large wind turbine blade

·Design·Calculation· | 更新时间：2025-02-28

- Carbon fiber and glass fiber mixed design and structural performance analysis for large wind turbine blade
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 2, Pages: 111-119(2025)
- 作者机构：
  
  上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093
- 作者简介：
  
  MIAO Weipao, E-mail：mwpusst@163.com
- 基金信息：
  
  Found：National Natural Science Foundation of China(51976131;52006148;52106262);Acknowledges the Non-Carbon Energy Conversion and Utilization Institute under the Shanghai Class Ⅳ Peak Disciplinary Development Program
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.02.014
  CLC： TK83
- Received：21 July 2023，
  
  Revised：08 September 2023，
  
  Published：15 February 2025
- 稿件说明：
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范士杰，缪维跑，李春，等. 大型风力机叶片碳-玻纤维混掺设计及结构性能分析［J］. 机械强度， 2025，47（2）：111-119.

FAN Shijie,MIAO Weipao,LI Chun,et al.Carbon fiber and glass fiber mixed design and structural performance analysis for large wind turbine blade[J].Journal of Mechanical Strength,2025,47(02):111-119.
范士杰，缪维跑，李春，等. 大型风力机叶片碳-玻纤维混掺设计及结构性能分析［J］. 机械强度， 2025，47（2）：111-119. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.02.014.

FAN Shijie,MIAO Weipao,LI Chun,et al.Carbon fiber and glass fiber mixed design and structural performance analysis for large wind turbine blade[J].Journal of Mechanical Strength,2025,47(02):111-119. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.02.014.

摘要

为提高大型风力机叶片结构强度，已逐渐使用碳纤维材料替代传统玻璃钢纤维应用于铺层设计中，但碳纤维高昂的制造成本使其难以覆盖叶片整体区域。因此，研究叶片碳-玻纤维铺层材料混掺比例及相对位置对结构性能的影响有助于获得高性能、低成本的风力机叶片。通过Ansys软件调整叶片主梁对应位置的碳纤维和玻璃钢材料比例与铺设相对位置，并采用计算流体力学方法与有限元方法相结合的方式对其进行结构静力学、模态及屈曲分析。结果表明，叶片主梁使用碳纤维与玻璃钢纤维混掺铺层可获得与纯碳纤维叶片相近的性能表现；当碳纤维接近叶尖时，可提高叶片1阶模态和屈曲因子；而当碳纤维接近叶根时，对叶片最大应力应变方面的影响较小；在确保叶片稳定及抗共振性能的前提下，当碳纤维与玻璃钢纤维铺层比例为3∶1且碳纤维接近叶根时，叶片综合性能最佳。

Abstract

Carbon fiber is increasingly used to replace conventional glass fiber in layup designs of large wind turbine blades to improve their structural strength

but the high cost of carbon fibers makes it difficult to cover the entire area of the blade.Therefore，the research of the influence of mixing ratio and relative position of carbon fibers and glass fibers on the structural performance of the blade can help to obtain higher performance and lower cost wind turbine blades.The proportion of carbon fibers and glass fibers in the corresponding position of the main beam of the blade and the relative position of layup were adjusted by Ansys software.And the structural statics

modal and buckling analyses were conducted by using a combination of computational fluid dynamic method and finite element method.The results show that the performance of the blade main beam using carbon fibers and glass fibers mixed layer can be similar to that of carbon fiber blades.When the carbon fibers near the tip of the blade can improve the blade first-order modal and buckling factors. When it is close to the root of the blade has less impact on the blade maximum stress and strain.Under the premise of ensuring the blade stability and anti-resonance performance

when the carbon fibers and glass fibers layup ratio is 3∶1 and the carbon fibers are close to the root of the blade，the overall performance of the blade is better.

关键词

Keywords

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