目前所使用的發泡材料雖然強度夠且能耐高溫，但是密度較高，
或許能找到更加適用的發泡材料，或是添加塑料填充劑，例如使用較
軟、較輕的發泡材料，添加短玻璃纖維提升強度的方法，以製作更輕 效率更高的風力葉片。石墨纖維相較於玻璃纖維而言有更高的比強 度，唯成本過高為其缺點，未來希望藉由最佳化分析方法，配合有限 元素分析模型，最佳設計纖維的疊層角，並考量兩者之間的成本與強 度，採本益比最高的材料與疊層角設計。
目前所使用的模具已不敷後續研發使用，希望未來能選擇一更高 效率的翼型剖面，來設計一漸變斷面的模具。然而設計一葉片的橫剖 面為一流體與結構互相耦合的問題，隨著結構的變形流場會跟著改 變，連帶改變剖面上的壓力分佈，結構的變形也會跟著流場所施壓力 而改變。因此未來希望使用順序耦合分析法，藉由 CFD(Computational Fluid Dynamics)配合結構分析模組來設計。然而隨著葉片的徑向長度變 化，所受的風力會因為轉速產生的風而不同，則葉片的最佳翼型、弦 長、裝置角也會跟著不同。再者發電機轉子的扭轉負載、葉片裝置數 也會影響葉片的轉速。因此實際上風力葉片的剖面設計是一個相當複 雜的問題，唯有建立一系列的測試數據（風速、轉速、扭矩、葉片重 量、轉動慣量……等）一一修正分析模組，並藉由最佳化設計方法，
才能完整的描述整個問題並設計一性能優秀的風力葉片。
參考文獻
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表3-1 NACA4415 原始資料點位置
上表面 下表面
x 座標* y 座標* x 座標* y 座標*
0 0 0 0 1.25 3.07 1.25 -1.79
2.5 4.17 2.5 -2.48 5 5.74 5 -3.27 7.5 6.91 7.5 -3.71
10 7.84 10 -3.98 15 9.27 15 -4.18 20 10.25 20 -4.15 25 10.92 25 -3.98 30 11.25 30 -3.75 40 11.25 40 -3.25 50 10.53 50 -2.72 60 9.3 60 -2.14 70 7.63 70 -1.55 80 5.55 80 -1.03 90 3.08 90 -0.57 95 1.67 95 -0.36 100 0.16 100 -0.16 100 0 100 0
＊其中x 座標與 y 座標為相對值，乘上所需要的倍數及 單位即為實際長度
表3-2 發泡添加物之比較 性質
添加物
比重 強度 操作性 反應時間
發泡 普通 普通 普通 普通
發泡加巴爾沙木粉 重 強 極差 普通 發泡加短玻纖維 稍重 極強 差 普通 發泡加海藻粉 稍輕 稍強 普通 快
表4-1 材料常數列表
玻璃纖維E1=38.6 GPa E2=8.27GPa G12=4.14 GPa ν12=0.26 巴爾沙木E1=4.44 GPa E2=0.1485 GPa G12=0.01 GPa ν12=0.02 發泡材料 E1=0.1556 GPa ν12=0.3742
連接管道 E1=3.9 GPa ν12=0.3742 板狀結構E1=2.99 GPa ν12=0.3742 空氣 E1=0.001 GPa ν12=0.3742
表6-1 發泡梁的撓曲實驗 施力（kgf） 中點撓度（mm）
E (N/m^2)
0.140 0.100 1.555E+08 0.280 0.200 1.555E+08 0.420 0.300 1.555E+08 0.570 0.400 1.583E+08 0.710 0.500 1.577E+08 0.850 0.600 1.574E+08 0.990 0.700 1.571E+08 1.130 0.800 1.569E+08 1.850 1.300 1.581E+08 2.560 1.800 1.580E+08 3.940 2.800 1.563E+08 5.140 3.800 1.503E+08 6.320 4.800 1.463E+08
平均值 1.556E+08 L=18cm 截面寬 b=2.4cm 截面高
h=1.75cm
截面積A=b×h=0.00042 m^2 I=bh^3/12=1.07188E-08 m^4
表6-2 施力於中心的矩形板其撓度因子與長寬比之關係 長寬比
b/a
撓度因子α
1.0 0.01160 1.1 0.01265 1.2 0.01353 1.4 0.01484 1.6 0.01570 1.8 0.01620 2.0 0.01651 3.0 0.01690
∞ 0.01695
表6-3 發泡板的撓度實驗 中心力
kgf
中心撓度 mm
蒲松比 v
剪力模數 G(N/m^2) 0.094 0.900 0.356675 5.735E+07 0.104 1.000 0.351408 5.757E+07 0.115 1.100 0.357856 5.730E+07 0.127 1.200 0.372386 5.669E+07 0.139 1.300 0.383992 5.621E+07 0.149 1.400 0.378799 5.643E+07 平均 0.374200 5.661E+07 撓度因子α=0.01160
板長度a=0.1 m 板厚度h=0.002 m
表6-4 發泡梁的扭轉實驗
0.027 5.0 2.280 2.720 0.0136 0.0530 5.269E+07 0.055 10.0 4.645 5.355 0.0268 0.1079 5.451E+07 0.083 15.0 7.009 7.991 0.0400 0.1628 5.513E+07 0.110 20.0 9.289 10.711 0.0536 0.2158 5.451E+07 0.137 25.0 11.569 13.431 0.0672 0.2688 5.414E+07 0.164 30.0 13.849 16.151 0.0808 0.3218 5.390E+07 平均 5.442E+07
Fortran 程式 撓度(mm)
表6-6 兩段式三明治翼型結構撓度實驗及分析結果 施力
(kg)
有限元素模型 撓度(mm)
與實驗值之 誤差
Fortran 程式 撓度(mm)
與實驗值之 誤差
實驗值 (mm) 0.25 1.830 2.23% 1.873 4.66% 1.790
0.5 3.660 0.69% 3.747 3.08% 3.635 0.75 5.490 -0.99% 5.620 1.36% 5.545 1 7.330 -2.01% 7.494 0.18% 7.480 1.25 9.160 -3.02% 9.367 -0.82% 9.445 1.5 10.990 -3.68% 11.241 -1.49% 11.410 1.75 12.800 -4.44% 13.114 -2.10% 13.395 2 14.650 -4.96% 14.987 -2.77% 15.415 2.25 16.500 -5.31% 16.861 -3.24% 17.425 2.5 18.310 -6.01% 18.734 -3.83% 19.480
)
2nd layer group (shell)
1st layer group (core)
3rd layer group (shell)
)
Qy
Qx
Myx
Ny
My
Nx
Mx
Mxy
Nxy
Nyx
圖 2-3 複合材料積層板沿厚度方向之合力與合力矩
圖 2-4 元素座標系統 i
j
k l
s r
t
m
n p o
●
●
●
●
●
●
●
●
圖 2-5 截面中性軸計算
圖 2-6 fortran 程式計算中性軸位置
圖 2-7 fortran 程式解三明治結構撓度示意圖 y
x 中性軸 Y
中性軸 X ｗ１ Ｐ
ｗ２ ｗ ｗＰ
主軸線 2
主軸線 1
量測的撓度 y
x 中性軸 Y
中性軸 X 第 i 塊形心
X
Y
xi
yi
第 i+1 塊 第 i 塊 y
x 玻纖 90 度 E2
玻纖 0 度 E3 中性軸 Y
中性軸 X
發泡材料 E1 P
斷面形心
圖 3-1 模具的上模
圖 3-2 模具的下模
-0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14
Upper surface Ordinate Lower surface Ordinate
圖 3-3 NACA4415 原始資料點位置
圖 3-4 先作外殼再發發泡的作法
圖 3-5 此作法的缺陷
圖 3-6 恆溫恆溼機
圖 3-7 文中使用的發泡劑
A 劑 B 劑
C 劑
圖 3-8 發泡填充物之添加，圖中編號 1 為原發泡 ；2 為添加海藻粉；3 為添加木粉；4 為添 加短玻纖維
圖 3-9 發泡尚未完全硬化成型即拆模導致發泡日後變形
1 2
3 4
圖 3-10 葉片接頭成品
圖 3-11 接頭於模具內部之定位器
圖 3-12 接頭定位器與模具的結合
圖 3-13 抽真空導致變形
前擋板 上擋板 連結機構
鐵氟龍 葉片接頭
與模具結合
圖 3-14 內部較軟的發泡受熱變形融化
圖 3-15 接頭與纖維的結合 凹陷
圖 3-16 兩段葉片之間接合的示意圖
圖 3-17 減重及接合機構成品 未硬化的纖維
中空巴爾沙木盒
轉軸處接頭 連接管道
板狀結構
尾段 前段
表面搭接
圖 3-18 板狀結構使用的材料
圖 3-19 第二段三明治翼型結構製作
圖 3-20 接合及實驗時使用的夾具
圖 4-1 ANSYS 元素 shell91 示意圖 防撞泡棉
圖 4-2 二維 ANSYS 有限元素模型撓度分析
圖 4-3 ANSYS 元素 solid95 示意圖
圖 4-4 ANSYS 元素 shell99 示意圖
圖 4-5 由 solidworks 繪圖軟體取得簡化模型之資料點位置
圖 4-6 三維 ANSYS 有限元素模型撓度分析
圖 4-7 接合機構模型
圖 4-8 發泡材料心材模型
圖 4-9 玻璃纖維面板模型
圖 4-10 ANSYS 有限元素模型(具兩段式接合)撓度分析
圖 5-1 烤箱
圖 5-2 方形砂紙機
圖 5-3 空洞中填入巴沙木塊以防受壓變形
圖 5-4 用一般布料墊厚導致的缺陷
圖 5-5 玻璃纖維外殼成型步驟疊層順序示意圖 向外拉平
發泡材料 0°預浸材 90°預浸材 離型布 小棉布
下模具
圖 5-6 真空幫浦
圖 5-7 前段三明治翼型結構成品
圖 5-8 第二段三明治翼型結構成品
圖 5-9 貼上塑膠布防止後續步驟遭到發泡沾污
圖 5-10 發泡放入注射筒再用矽膠槍填入連接機構
圖 5-11 兩段接合後靜置半天以上 注射筒 矽膠槍
圖 5-12 熱壓機
圖 5-13 兩段式接合三明治翼型結構成品