基于非線性本構(gòu)關(guān)系的復(fù)合材料風(fēng)機葉片有限元極限分析與設(shè)計
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- 基于非線性本構(gòu)關(guān)系的復(fù)合材料風(fēng)機葉片有限元極限分析與設(shè)計為了研究具有三維復(fù)雜構(gòu)形的復(fù)合材料風(fēng)機葉片的逐次破壞過程和極限承載能力，將復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)非線性本構(gòu)理論橋聯(lián)模型與有限元軟件ABAQUS通過用戶子程序UGENS結(jié)合起來對風(fēng)力發(fā)電機葉片結(jié)構(gòu)進行極限強度分析。只需提供纖維和基體的材料性能參數(shù)、纖維體積含量以及蒙皮和增強筋的鋪層數(shù)據(jù)包括鋪設(shè)角、層厚和鋪層數(shù)，就可預(yù)報出復(fù)合材料復(fù)雜葉片結(jié)構(gòu)的整體承載能力以及葉片破壞所處的位置，為正確評估和合理設(shè)計風(fēng)機葉片結(jié)構(gòu)提供了一種簡便有效的分析方法。本文以一種20kW風(fēng)機葉片為例，用此方法實現(xiàn)了新型復(fù)后材料葉片結(jié)構(gòu)的極限分析
風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，取之不盡、用之不竭。葉片是風(fēng)力發(fā)電機中最主要的部件。目前的大、中型風(fēng)機葉片基本上采用蒙皮與主梁的構(gòu)造形式，須通過多步成型工藝制備，即先分別制作葉片的上、下外殼和龍骨梁（腹板）后，再粘成一體。由于粘接處的強度遠低于殼體本身的強度，使葉殼性能得不到充分發(fā)揮，類似開口薄壁梁遠不及閉口薄壁梁的承載能力。單腹板支撐的葉殼易發(fā)生失穩(wěn)破壞，多個梁或腹板則須增添更多模具。這無疑會增加成本，降低葉片的利用率。因此，本文作者提出采用整體一次成型技術(shù)制備中空葉片，可有效減輕重量，降低成本，提高葉片的整體力學(xué)性能。這就需要對這種新型葉片結(jié)構(gòu)進行極限分析并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)合理設(shè)計，因為傳統(tǒng)葉片以龍骨梁（腹板）為主承力件。
在目前的設(shè)計中，葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)（蒙皮厚度，腹板厚度、寬度、位置等）一般是通過有限元法(FEM)分析后決定，直到設(shè)計的葉片滿足規(guī)范。Oh等人運用復(fù)合材料梁理論結(jié)合有限元法預(yù)測了葉片的靜態(tài)響應(yīng)和無阻尼動態(tài)響應(yīng)。Saravanos進一步采用梁單元預(yù)測了復(fù)合材料葉片的有阻尼動態(tài)響應(yīng)。Maheri運用殼單元對葉片進行結(jié)構(gòu)劃分，并通過考察不同區(qū)域的單元密度來考查收斂性并避免應(yīng)力集中現(xiàn)象。Kong等運用有限元法對葉片進行靜強度分析，將葉片視作蒙皮-腹板-泡沫芯結(jié)構(gòu)。用殼單元對蒙皮進行離散，用12節(jié)點三維“夾心”單元模擬腹板，通過對蒙皮、腹板的厚度設(shè)計使整個結(jié)構(gòu)滿足葉片設(shè)計規(guī)范對剛度和強度的要求。這些分析都是借助有限元軟件基于材料線彈性本構(gòu)關(guān)系進行的，并沒考慮復(fù)合材料的非線性，使葉片極限承載能力的計算與實際情況存在差異。實際上，復(fù)合材料層合板在逐層破壞過程中基體材料表現(xiàn)出非線性特性,導(dǎo)致層合板的剛度矩陣呈非線性變化。橋聯(lián)模型充分考慮了基體材料的非線性特性對復(fù)合材料本構(gòu)方程的影響,將其應(yīng)用于有限元分析能較好解決上述問題。
1 橋聯(lián)模型
經(jīng)典層板理論中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)第k層的平面應(yīng)力增量與平面應(yīng)變增量之間的關(guān)系是
其中：G表示總體坐標(biāo)，是該復(fù)合材料層在總體坐標(biāo)系下的當(dāng)前剛度系數(shù)。...
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