王曉亮

熱塑性葉片隔膜成型過程中的有限元分析

王曉亮

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長治046011）

針對(duì)熱隔膜成型在大尺寸風(fēng)機(jī)葉片方面的研究，利用ABAQUS軟件對(duì)熱塑性葉片有限元模型進(jìn)行位移變形分析，接觸分析，熱分析與熱應(yīng)力分析，最終確定了風(fēng)力機(jī)葉片在熱隔膜成型過程中的薄弱環(huán)節(jié)及溫度加載方式。

葉片；有限元分析；熱隔膜成型；

由于發(fā)電功率和發(fā)電成本的要求，風(fēng)力機(jī)葉片通常安裝位置較高，尺寸較大[1]。熱塑性材料具有質(zhì)量輕和耐沖蝕的優(yōu)點(diǎn)符合大型葉片的工作環(huán)境要求，但其成型成本較高，限制了其在大尺寸風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用。

熱隔膜成型工藝是將熱塑性復(fù)合材料經(jīng)層壓、預(yù)浸工藝之后，置于模具表面，利用真空和加熱等手段，將材料壓向模具，形成所需形狀[2]，其成型示意圖如圖1所示。

圖1 成型示意圖

由于其成型壓力小，成品質(zhì)量優(yōu)，模具成本低的特點(diǎn)，非常適合于大型葉片的制造。本文通過ABAQUS有限元軟件，分析葉片材料在隔膜成型過程中的應(yīng)力變化，指出成型工藝中的薄弱環(huán)節(jié)，為大型熱塑性葉片的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)提供一定參考價(jià)值。

1 隔膜成壓件的結(jié)構(gòu)

本文中的葉片材料選用為SL850熱隔膜材料[3]，其參數(shù)及層壓結(jié)構(gòu)如表1所示。預(yù)浸料層壓板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 SL850熱隔膜材料基本參數(shù)

圖2 預(yù)浸料層壓板結(jié)構(gòu)圖

2 材料構(gòu)造模型及參數(shù)

層壓復(fù)合材料為夾芯結(jié)構(gòu)，根據(jù)復(fù)合材料有限元分析方法，將平面復(fù)合材料假設(shè)為剛性，其不同層面的泊松比和彈性模量如表2所示。

表2 材料參數(shù)模型及屬性

3 有限元模型

依照上述材料模型建立有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分得到，圖3為三維模型圖及網(wǎng)絡(luò)劃分圖，其中網(wǎng)絡(luò)單元類型為六面體實(shí)體單元，其特性為線性減縮積分，加載的初始條件和邊界條件為復(fù)合材料平面模型中X和Y方向固定，Z方向加載，加載方式為面加載且加載的最后載荷值為0.1 MPa.

圖3 三維模型圖及網(wǎng)絡(luò)劃分圖

4 葉片熱塑性材料位移變形分析

采用DOF求解器，得到位移變形云圖如圖4所示。

圖4 位移變形云圖

選擇TimeHist Postpro工具對(duì)Z方向最大變形量進(jìn)行分析，繪制位移—時(shí)間曲線，如圖5所示。

圖5 位移—時(shí)間曲線

由曲線圖可知在成型過程中，Z方向上的位移在載荷加到一定時(shí)間段之后，變形量不再增加，因此可知，在隔膜成型過程中不會(huì)因形變?cè)龃蠖l(fā)厚度不均，符合大尺寸葉片厚度要求，有助于風(fēng)機(jī)葉片成型。

5 葉片模具接觸分析

為了更全面地研究隔膜成型在巨型風(fēng)機(jī)葉片方面的應(yīng)用，需要分析葉片翼形成型過程中，熱塑性材料與模具的接觸分析，三維模型如圖6所示，其中上部模型為熱塑性層壓材料，下部模型為模具。

圖6 接觸分析模型

接觸分析中需要定義主動(dòng)面和從動(dòng)面，其中熱塑性材料為主動(dòng)面，模具為從動(dòng)面，將模具約束為不可變形的剛體。如圖7所示。

圖7 接觸面定義

經(jīng)POST1后處理器，得到接觸模型的等效應(yīng)力云圖，如圖8所示。

圖8 等效應(yīng)力云圖

從圖8可知，接觸面、壓力大小與模具表面傾斜度相關(guān)，即與模具表面積成反比關(guān)系。在成型模具扭角接近葉片模具尖部的部分達(dá)到最大，此處由于壓力較大，為葉片翼形成型最為困難的地方。

6 葉片隔膜成型熱分析與熱應(yīng)力分析

（1）熱分析

在接觸面邊界進(jìn)行溫度加載，加載方式為面加載，隔膜成型溫度為70℃，如圖9所示。

圖9 溫度加載

選擇邊界單元進(jìn)行熱分析，得到溫度等值線，如圖10所示。

圖10 溫度等值線

（2）熱應(yīng)力分析

基于之前的溫度等值線，分析在加載面上即Z方向上應(yīng)力與溫度關(guān)系，得到應(yīng)力與溫度曲線圖，如圖11所示。

圖11 應(yīng)力—溫度曲線

對(duì)比應(yīng)力與溫度曲線及溫度等值線可知，隨著溫度的升高，應(yīng)力逐漸增大，且隨溫度增大，應(yīng)力變化梯度較大，因此在隔膜成型過程中，在加溫和降溫階段，為防止應(yīng)力集中，溫度變化不易頻繁，即要求隔膜成型過程中空氣溫度應(yīng)逐漸接近最高加熱溫度和最低冷卻溫度。

7 結(jié)束語

（1）熱隔膜成型過程中，葉片翼形厚度均勻符合大尺寸葉片制造工藝要求；

（2）熱塑性葉片熱隔膜成型過程中，葉尖部分翼形成型最為困難；

（3）葉片在整個(gè)熱隔膜成型階段，溫度加熱和冷卻梯度不宜過大。

[1]陳通謨.世界風(fēng)電20年及發(fā)展趨勢(shì)[J].風(fēng)力發(fā)電，1999，3（2）：10-13.

[2]李宏運(yùn).先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：188-189.

[3]張曉明，劉雄亞.纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：124-125.

Finite Element Analysis of Thermoplastic Blade Diaphragm

WANG Xiao-liang
（Shanxi Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Changzhi Shanxi 046011，China）

Aiming at the research of hot diaphragm molding in large-size fan blades，ABAQUS software was used to analyze the displacement and deformation，contact analysis，thermal analysis and thermal stress analysis of the finite element model of thermoplastic leaves，finally，the weak link and temperature loading mode of wind turbine blades during hot diaphragms forming were established.

blade；finite element analysis；hot diaphragm molding

TH162

A

1672-545X（2017）02-0086-03

2016-11-23

王曉亮（1986-），男，山西長治人，碩士，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。