轻量化的稳健设计已成为先进纤维增强树脂基复合材料应用技术的研发重点,尤其是风电行业。风机叶片是目前世界上最大的复合材料部件之一,由于叶片长度很大程度上影响了叶片的发电效率,从而叶片向越来越大的尺寸方向发展,其刚度及自重则成了设计瓶颈,高刚度、高疲劳性能成为梁帽的关键性能指标。迄今国内外学者对混杂复合材料的研究范围广,不仅涉及各种纤维组合和各种混杂方式的研究(比如机织物、经编织物、预浸料等形式),而且包括层间和层内不同混杂方式,导致混杂材料体现出来多种特性,甚至是相反的特性,对系统研究混杂材料带来了一定的难度。本文的研究内容主要包括以下两个方面:首先,本文采用了4种单向层间混杂的混编织物以及纯玻璃纤维(玻纤)和纯碳纤维(碳纤)织物制备的复合材料,系统研究了混杂材料的静态性能变化规律、高低温对材料层间剪切性能的影响以及拉-拉、拉-压疲劳性能。实验结果证明,0°拉伸、0°压缩和0°弯曲性能主要由纤维性能控制,模量都满足线性的混合定律(ROM),而极限强度则不满足,但可以通过上下限的方式来估算强度的范围。90°拉伸、90°压缩、面内剪切和层间剪切都是由基体和界面决定的性能,由于混杂材料中存在多种组分,存在“木桶效应”,性能最低的组分决定了复合材料的最终性能。无论是碳纤/玻纤混杂增强复合材料(CGHFRCs)还是纯玻纤增强材料(GFRCs),都具有不同的高低温力学性能,其中,与室温性能比50℃下性能出现提高,其余均出现下降。不同温度下的混杂材料(HF1)的强度保留率均高于玻纤材料。碳纤/玻纤混杂增强复合材料的拉-拉疲劳和拉-压疲劳的高周疲劳都满足混合定律,而低周疲劳则接近静态极限强度。通过玻纤和碳纤的疲劳性能以及静态性能,使用静态的双线定律及高周疲劳的混合定律可以预测任意比例的碳纤/玻纤混杂材料的疲劳性能。其次,基于Upwind 5 MW叶片进行了叶片优化设计以及成本分析。针对Upwind 5 MW叶片模型,碳纤/玻纤混杂材料在减重方面相对于玻纤有明显的优势,相对于碳纤又有明显的价格优势。对于每种不同的叶片都存在一个碳纤和玻纤的最优配比,这个比例与碳纤和玻纤的性能及价格有关。