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

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。▉

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