连续纤维增强树脂基复合材料以其优异的综合性能在风能领域得到大规模应用,风能已经成为复合材料应用的四大主要领域之一。近年来,得益于政策支持和技术的进步,风能在全球范围内得到了快速发展。在我国,风电已经成为仅次于煤电和水电之后的第三大主力能源。为了降低度电成本和充分利用风能,风电机组越来越大,叶片也越来越长,60米以上叶片已经成为目前商业叶片的主流,80米以上叶片相继诞生。超长叶片给其制造、运输以及吊装带来极大困难,同时增加了风电的开发成本和安全风险。分段式叶片被认为是这一难题最直接和有效的解决方案。尽管前人做了一些有益的尝试,然而,制约分段式叶片应用的若干关键技术有待进一步深入研究:(1)应用于分段式叶片的高效、高可靠的创新连接构型;(2)叶片特征载荷下多螺栓连接的刚度和受力行为;(3)叶片最优分段位置的确定与系统分析方法;(4)叶片分段连接螺栓排布设计与载荷分配规律;(5)分段连接对叶片总体性能的影响。为了在以上方面取得技术进步,突破制约大型分段式叶片规模化应用的技术瓶颈,在研究方法方面,本文采用解析、数值以及实验相结合的方法;在研究路径方面,遵循单螺栓连接件、多螺栓连接构件、全尺寸分段式叶片以及分段式叶片机组逐层递进的研究思路来开展课题的研究。主要研究内容如下:首先,介绍了分段式风电叶片国内外研究现状和发展趋势以及制约分段式风电叶片应用的技术壁垒,梳理了需要解决的关键技术。同时,介绍了应用于分段式叶片连接设计的螺栓连接分析方法。提出了一种预埋金属套双头螺柱的连接构型及其装配方法,在此连接构型基础上,推导了理想几何尺寸条件下预埋金属套复合材料的刚度解析方程,采用有限元方法拟合得到解析方程的锥形半角。基于真实尺寸下单螺栓连接构型采用实体单元模型研究了单螺栓连接在拉伸载荷下螺栓载荷与外载荷的非线性关系。接着,参考真实叶片的主承力结构和载荷,设计和制备了由12个螺栓连接的复合材料箱型梁,采用敲击法测试了箱型梁的自振频率,开展了极限挥舞载荷条件下的实验测试,监测了梁帽和螺栓的应变和尖部的挠度。采用壳体/实体单元对分段式箱型梁进行数值建模,分析了螺栓预紧力不足条件下的非线性结构响应行为,将解析和数值解与实验结果对比分析,建立了真实叶片载荷下螺栓载荷与外载荷的非线性关系,揭示了叶片螺栓疲劳失效的机理。第三,提出了一种确定分段式叶片连接位置的简化方法。通过评估叶片不同分段位置对叶片自振频率、连接强度以及制造和装配可实现性的影响来确定叶片连接的最优位置。在38米商业叶片基础上分析了分段位置对以上三方面性能的影响,得出了普适性的叶片最优分段位置为距离叶根20%长度处。基于几何相似性准则研究更长分段式风电叶片应用的需求和发展趋势,为分段式叶片大型化发展提供有益建议。第四,介绍了38米分段式叶片的主承力结构铺层布局、叶片成型工艺以及装配工艺与工装。依据叶片测试国际规范开展38米全尺寸分段式风电叶片4个方向极限载荷条件下的结构测试,在加载-卸载过程中采集了梁帽、剪切腹板、夹芯蒙皮面板以及螺栓的应变,分析了叶片复合材料极限强度、叶片稳定性、叶片段连接接触行为以及螺栓载荷分配规律。第五,采用开源程序和商业软件对38米叶片风电机组进行整体建模,对叶片在分段前后的质量、刚度、自振频率、载荷、挠度以及气动性能进行综合评估。分段式叶片根部摆振和挥舞的极限弯矩分别增加10%和3%左右,疲劳弯矩分别增加23.2%和6.0%,气动特性均无明显变化。最后,总结了全文的主要内容和结论,展望了尚未开展且值得进一步深入的工作。