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        芯材對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片力學(xué)性能影響的有限元分析

        2015-10-18 02:53:20薛浩鵬吳海亮
        天津科技 2015年7期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能復(fù)合材料有限元

        薛浩鵬,吳海亮

        (天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

        0 引 言

        由于高模、高強(qiáng)、質(zhì)輕等一系列優(yōu)點(diǎn),由增強(qiáng)相(纖維)與基體相(樹脂)組成的樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料被廣泛研究并應(yīng)用于生產(chǎn)、交通、航天、國(guó)防等領(lǐng)域。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能主要由纖維增強(qiáng)相決定,影響其力學(xué)性能的具體因素包括:增強(qiáng)相的材料屬性、長(zhǎng)度、排列、結(jié)構(gòu)、體積含量、取向等。[1-2]由此可以看出,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能受到各種因素的制約。在設(shè)計(jì)葉片的時(shí)候,要充分考慮不同結(jié)構(gòu)對(duì)葉片力學(xué)性能的影響。本文運(yùn)用有限元軟件 MSC.Patran &Nastran(版本 2008),計(jì)算并比較 2種不同芯材和不同芯材厚度在相同壓力作用下的響應(yīng)。通過(guò)分析不同情況下的穩(wěn)定性和應(yīng)力分布,探索芯材對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片力學(xué)性能的影響,為葉片設(shè)計(jì)提供可行性指導(dǎo)。

        1 材料與模型

        1.1 材料

        本文主要研究2種芯材(巴薩木和PVC)和不同厚度芯材(10,mm、15,mm、20,mm)對(duì)葉片穩(wěn)定性和應(yīng)力分布的影響。表1為芯材性能參數(shù)。

        1.2 模型

        在葉片截取2.4,m長(zhǎng)度模型進(jìn)行分析,采用 Shell單元模擬葉片外形(見圖1),Solid單元模擬粘接,總共約 3,600個(gè)單元。在葉片模型一端施加固定約束(見圖 2、3),另一端在梁帽上施加100,kN的壓力(力的方向?yàn)槿~片PS側(cè)指向SS側(cè))。

        圖1 葉片有限元模型Fig.1 A finite element model of blade

        圖2 在葉片有限元模型上施加約束Fig.2 Imposing restriction on the finite element model of blade

        圖3 葉片模型截面Fig.3 Cross section of a blade model

        表1 巴薩木和PVC材料參數(shù)Tab.1 Parameters of Balsa wood and PVC materials

        2 結(jié)果分析

        2.1 應(yīng)力分析

        材料發(fā)生形變時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力。把分布內(nèi)力在一點(diǎn)的集度稱為應(yīng)力(Stress),應(yīng)力與微面積的乘積即微內(nèi)力?;蛭矬w由于外因(受力、濕度變化等)而變形時(shí),在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力,以抵抗這種外因的作用,并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置。按照應(yīng)力和應(yīng)變的方向關(guān)系,可以將應(yīng)力分為正應(yīng)力 σ 和切應(yīng)力 τ,正應(yīng)力的方向與應(yīng)變方向平行,而切應(yīng)力的方向與應(yīng)變垂直。按照載荷(Load)作用的形式不同,應(yīng)力又可以分為拉伸壓縮應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。[3-4]

        由表 2可以看出,同種材料隨芯材厚度增加,葉片的拉伸和壓縮應(yīng)力降低。葉片的拉伸和壓縮應(yīng)力主要與材料的彈性模量相關(guān),彈性模量越高,材料的拉伸壓縮應(yīng)力越低。

        芯材雖然對(duì)葉片的應(yīng)力分布有一定影響,但通過(guò)分析可以知道,芯材對(duì)葉片應(yīng)力的影響很小,因?yàn)樾静牡膹椥阅A窟h(yuǎn)低于纖維布的彈性模量。因此可以看出,芯材對(duì)葉片的強(qiáng)度影響很小。

        表2 不同芯材厚度的應(yīng)力Tab.2 Stresses of core materials with different thicknesses

        2.2 穩(wěn)定性分析

        屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷。某些結(jié)構(gòu)如承受壓力的部件,在壓力載荷到達(dá)一定程度后會(huì)發(fā)生不可思議的變形(結(jié)構(gòu)受壓會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度減弱,當(dāng)壓力越來(lái)越大,剛度弱化超出了結(jié)構(gòu)固有的剛度,結(jié)構(gòu)就表現(xiàn)得很脆弱,位移急劇增大,發(fā)生屈曲)。由于結(jié)構(gòu)已經(jīng)在這一載荷作用下發(fā)生了失穩(wěn),就需要穩(wěn)定性分析即屈曲分析。[5-6]由表 3可以看出:①在同種芯材的情況下,葉片的穩(wěn)定性隨芯材厚度增加,其穩(wěn)定性增加。②同種芯材芯材厚度增加,穩(wěn)定性增加的趨勢(shì)變緩(15,mm PVC比10,mm PVC 穩(wěn)定性增加 48.6%,20,mm PVC比 15,mm PVC穩(wěn)定性增加33.4%;15,mm Balsa比10,mm Balsa 穩(wěn)定性增加60.3%,20,mm Balsa比15,mm Balsa穩(wěn)定性增加43.4%)。③不同材料相同厚度的情況下,材料的剪切模量越大,葉片的穩(wěn)定性越高。

        表3 不同芯材厚度的屈曲因子Tab.3 Buckling factors of core materials with different thicknesses

        通過(guò)對(duì)比可以看出,芯材對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。因此為了避免設(shè)計(jì)中發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn),可以考慮選用剪切模量大的芯材或者增加芯材厚度的方法來(lái)提高風(fēng)力發(fā)電葉片的穩(wěn)定性,避免葉片在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生失穩(wěn),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

        3 結(jié) 論

        通過(guò)采用 MSC.PATRAN&NASTRAN 軟件分析芯材對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片力學(xué)性能的影響,我們可以得出以下結(jié)論:①芯材對(duì)葉片的應(yīng)力分布影響很小,葉片的應(yīng)力分布主要與材料的彈性模量有關(guān)。芯材對(duì)葉片的強(qiáng)度貢獻(xiàn)很小。②芯材主要影響風(fēng)力發(fā)電葉片的穩(wěn)定性,主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是芯材的剪切模量,芯材的剪切模量越大,葉片的穩(wěn)定性越高;二是芯材的厚度,芯材的厚度越大,葉片的穩(wěn)定性越高,但隨著芯材厚度增加,葉片的穩(wěn)定性增加的幅度降低。▉

        [1]Mouritz A P,Bannister M K,F(xiàn)alzon P J,et al.Review of applications for advanced three-dimensional fiber textile composites[J].Composites Part A,1999(30):1445-1461.

        [2]HU J.3-D Fibrous Assemblies: Properties,Applications and Modeling of Three-Dimensional Textile Structures[M].Cambridge:Woodhead Publishing Limited,2008:1-32.

        [3]張永剛,王淑沅,房灶旺,等.復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)翼型件的有限元分析[J].纖維復(fù)合材料,2009(2):18-20.

        [4]丁辛.復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)的成型與彎曲特性[J].紡織學(xué)報(bào),1997,18(6):13-15.

        [5]裴金利,陳秀華.復(fù)合材料帽形加筋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究[J].航空計(jì)算技術(shù),2011,41(6):84-87.

        [6]曹海建,錢坤,盛東曉,等.芯材高度對(duì)整體中空復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].上海紡織科技,2010,38(9):54-57.

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