含溫濕效應(yīng)的復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的破壞

王 蔓, 白 瑞 祥, 李 明 穎, 沈 亞 南

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連 116034;2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備與結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

能源是現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ),各國(guó)都很重視新能源的研究與利用。目前風(fēng)能作為很有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值和技術(shù)手段很成熟的新能源,在可再生能源中成本較低,有著廣闊的發(fā)展前景。風(fēng)力發(fā)電成為風(fēng)能利用的重要手段[1]。利用風(fēng)力發(fā)電可以減少環(huán)境污染,節(jié)約石油等常規(guī)能源。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕捉風(fēng)能最關(guān)鍵和基礎(chǔ)的部件,其設(shè)計(jì)、工藝、性能對(duì)風(fēng)機(jī)的質(zhì)量和產(chǎn)能起著至關(guān)重要的作用,是保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。大型的葉片采用碳纖維復(fù)合材料作為增強(qiáng)性材料更能充分發(fā)揮其質(zhì)輕高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),使葉片既可承載又能減重,以適應(yīng)葉片發(fā)展輕量化的趨勢(shì)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常會(huì)長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn),要求葉片具有足夠的疲勞強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。長(zhǎng)期的濕熱條件使復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生損傷,如裂紋及開(kāi)裂擴(kuò)展、分層而導(dǎo)致的力學(xué)性能降低甚至風(fēng)機(jī)整體失效。對(duì)風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)性能方面的研究成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[2-5],而考慮溫濕效應(yīng)對(duì)復(fù)合材料葉片材料性能影響的很少。作者考慮溫濕環(huán)境對(duì)復(fù)合材料材料風(fēng)機(jī)葉片力學(xué)性能的影響,采用Hashin累積損傷失效判據(jù)[6],利用ABAQUS軟件編寫(xiě)相應(yīng)的程序,分析了風(fēng)載下復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的逐步破壞行為以及溫濕載荷對(duì)風(fēng)機(jī)葉片強(qiáng)度和剛度的影響。

1 有限元分析

葉片由三部分組成:蒙皮、主梁、腹板,如圖1所示。由于風(fēng)機(jī)葉片屬于典型的薄壁加筋結(jié)構(gòu),在建立有限元分析模型時(shí)全部離散為板殼單元,可以保證計(jì)算結(jié)果具有足夠的精度。

圖1 葉片模型

1.1 層合板單元溫濕環(huán)境下累積失效有限元分析

考慮熱效應(yīng),當(dāng)溫度變化ΔT時(shí),平面溫度載荷和力矩可寫(xiě)為

(1)

(2)

式中,N和M分別為平面載荷和力矩。

對(duì)于吸濕濃度為C的復(fù)合材料層合板,其濕度載荷和力矩向量可寫(xiě)成

(3)

(4)

式中,N和M分別為面內(nèi)載荷和力矩向量。

1.2 三維Hashin破壞準(zhǔn)則

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)典型的破壞模式分別為:基體破壞、纖維破壞和纖維-基體剪切破壞。為模擬復(fù)合材料葉片破壞的全過(guò)程和預(yù)測(cè)其破壞模式,采用基于應(yīng)變分布的三維Hashin失效準(zhǔn)則:

(5)

2 算例分析

將葉片簡(jiǎn)化為懸臂梁模型。根據(jù)伯努利方程,葉片迎風(fēng)面受到的均布載荷為:P=0.5ρv2,其中,ρ為空氣密度,ρ=1.225 kg/m3,v為相應(yīng)的極限風(fēng)速,v=40.4 m/s。玻璃鋼密度為1.5 kg/m3,重力加速度為9.8 m/s2。蒙皮與腹板鋪層均為:[03/453/-453/903]T,主梁鋪層為:[03/453/-453/03]T。蒙皮、腹板、主梁的單層厚度均為0.13 mm。復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的材料特性為:E11=53.8 GPa,E22=17.9 GPa,G12=G13=8.96 GPa,G23=6.88 GPa,ν12=0.25,XT=XC=1 034 MPa,YT=27.6 MPa,YC=138 MPa,S12=41.4 MPa,S13=69 MPa。

圖2給出了風(fēng)機(jī)葉片的材料性能隨溫度變化曲線(xiàn)。從圖2中可以看出,-40～80 ℃,隨溫度的上升,風(fēng)機(jī)葉片的材料性能呈下降趨勢(shì),材料橫向模量E2降低了27.3%,G12和G13降低了20%,G23降低了33.3%；材料強(qiáng)度XC降低了37%；XT降低了34.5%,YC降低了44.4%,S12降低了45.5%；YT降低了55.5%,S23降低了29.4%,表明環(huán)境溫度的升高導(dǎo)致葉片材料性能的劣化。

(a) E2, G12, G23, G13

(b)XC,XT

(c)YC,S23,S12,YT

圖2 溫度對(duì)材料性能的影響

Fig.2 The effects of temperature on material properties

在常溫、低溫下,濕度對(duì)復(fù)合材料性能影響不大。當(dāng)溫度為80 ℃時(shí),復(fù)合材料葉片的材料性能隨濕度變化如圖3所示。從圖3可以看出,復(fù)合材料葉片的材料性能隨濕度升高呈下降趨勢(shì),濕度很大時(shí),材料強(qiáng)度XC降低了33.3%；XT降低了47.6%,YC降低了43%,S12降低了2.5%；YT降低了40%,S23降低了43%,可見(jiàn)復(fù)合材料葉片的材料性能顯著降低。

圖4為分別考慮溫度和濕度對(duì)復(fù)合材料性能影響時(shí),葉片端部位移比較。由圖4可以看出,常溫下濕度變化對(duì)葉片剛度影響并不明顯,這是由于吸濕后材料彈性模量變化不大,而溫度變化對(duì)葉片剛度的影響則比較顯著,其中在最大加載點(diǎn),濕度為100%,溫度為80 ℃時(shí)端部位移值比常溫干燥狀態(tài)下的值要高出7.6%。

(a) XC, XT

(b)YC,S23,S12,YT

圖3 80 ℃時(shí)濕度對(duì)材料性能的影響

Fig.3 The effect of humidity on properties at 80 ℃

圖4 溫度、濕度影響的端部位移

Fig.4 The effects of temperature and humidity on tip displacement

圖5為不同溫度和濕度下葉片蒙皮和梁的基體拉壓破壞情況。從圖5看出,濕度不變時(shí),僅溫度變化,破壞隨溫度的下降而減少,葉片未發(fā)生纖維-基體剪切破壞和纖維破壞；溫度為常溫時(shí),濕潤(rùn)環(huán)境下,葉片未發(fā)生纖維-基體剪切破壞和纖維破壞；當(dāng)環(huán)境溫度較高同時(shí)濕度較大時(shí),梁有少量發(fā)生纖維-基體剪切破壞,未發(fā)生纖維破壞。由此可見(jiàn),高溫濕潤(rùn)的環(huán)境對(duì)復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片材料性能影響很大,導(dǎo)致葉片的強(qiáng)度和剛度均有不同程度的降低。

圖5 不同溫度、濕度下葉片的破壞

Fig.5 Blade damage at different temperature and humidity

3 結(jié) 論

討論了風(fēng)載下復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的逐步破壞以及溫濕載荷對(duì)風(fēng)機(jī)葉片強(qiáng)度和剛度的影響,從算例分析可以得出:

包含環(huán)境溫度因素時(shí),風(fēng)機(jī)葉片的剛度隨溫度上升而降低,破壞隨溫度的上升而增大。包含溫濕效應(yīng)時(shí),葉片因其吸濕而導(dǎo)致剛度和強(qiáng)度均下降,破壞變得愈嚴(yán)重；相同濕度,環(huán)境溫度愈高,破壞愈嚴(yán)重。結(jié)果表明,高溫濕潤(rùn)的環(huán)境對(duì)復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片材料性能影響很大,導(dǎo)致葉片的強(qiáng)度和剛度均有不同程度的降低。

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