风电叶片多轴向经编织物建模方式研究.pdf

２０１５年第１期玻璃钢／复合材料４９编织物灌注后简称单向板，多轴向经编织物灌注后简称多向板。１单向板的失效准则由于纤维增强复合材料细观上的不均匀性，其破坏形式和过程很复杂］，不同纤维、界面和基体的复合材料有完全不同的破坏形式和机理，因此很难用一个统一的强度理论来概括各种破坏情况。目前于复合材料的失效准则，在工程上应用比较普遍的宏观强度理论有以下这些¨］：（１）最大应力／应变准则单向板在平面应力状态下，主方向的任意一个应力／应变分量达到极限应力／应变时，就发生破坏或失效。—（２）蔡一希尔理论（ＴｓａｉＨｉｌ１）把ＶｏｎＭｉｓｅｓ提出的各向同性材料屈服准则（Ｍｉｓｅｓ准则）应用到复合材料各向异性材料中的一个破坏准则。（３）霍夫曼失效准则（Ｈｏｆｆｍａｎ）在蔡一希尔理论的基础上考虑了复合材料拉压强度不同的特性。—（４）蔡一吴张量理论（ＴｓａｉＷｕ）假定在应力空间中的破坏表面存在如下形式：…Ｆｏｒ＋Ｆｏｒ＝１ｉ，＝１，２，６其破坏准则是应力张量的多项式。（５）Ｐｕｃｋ理论该理论采用非线性本构方程，根据应力所处范围的不同，分为轴向拉伸破坏、轴向压缩破坏、横向拉伸破坏、横向受压剪切破坏、斜面剪切破坏，只要其中任何一个条件成立，就认为单向板出现破坏。（６）Ｃｕｎｔｚｅ理论该理论采用了线性本构方程，对轴向拉伸破坏、轴向压缩破坏、横向拉伸破坏、横向受压剪切破坏、斜面剪切破坏分别给出判断式，只要任何一个条件不满足，就认为单向板出现破坏。表１对各纤维失效准则的优缺点进行了列表对比。从表１中可以看到，对于各向异性复合材料，蔡．吴准则和Ｐｕｃｋ准则与实际比较吻合。于风电叶片，ＧＬ２０１０【１４］给出的行业规范中，纤维失效推荐使用ＶＤＩ２０１４或Ｐｕｃｋ准则进行验证分析，因此本文选用Ｐｕｃｋ准则进行分析，下面对Ｐｕｃｋ准则进行重点描述。表１各纤维失效准则优缺点对比Ｔａｂｌｅ１Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅａｃｈｆｉｂｅｒｆａｉｌｕｒｅｃｒｉｔｅｒｉａ失效准则比较优点：计算简单方便缺点：失效准则由５个相不影响，独立的表达式组最大应力／成的，各种破坏模式之间没有相互影响；必须转换应变准则成材料主方向上的应力／应变；最大应变理论中考虑了另一弹性主方向应力的影响；与试验结果偏差较大优点：强度随方向角的变化是光滑的，没有尖点；单向强度随方向角增加而连续减小，而不是像最大应嚣孚验之吻合较Ｆｓａｉ－Ｈｉｌ１）缺点：不一定对所有的材料都适合；不能用一个表达式同时表达拉、压应力两种情况；只能判断发生破坏，不能判断破坏的形式，准则复杂、不够直观（Ｈｏｆｆｍａｎ）优点：考虑了应力之Ｉ司的相互影响，对单向复合材兹一旱料，精确度高；洽缺点：对初始破坏强度预报比较差，最终破坏强度与其他几个理论相比存在欠缺；需要人为定义干扰“，系数；由于理论使用了线弹性本构关系，于层合板的非线性应变的预测与实验结果相差较远优点：准则综合考虑垂直于纤维方向的应力及剪切应力共同纤维闯失效因子的影响；理论对单向复合材料的预报与实验吻合较好，对层合板最终强度理论篓嵩确定较为有些依赖于经验值。在有较大非线性变形的情况下，预报的最大应变远小于实测值，预报的最终强度与实验值也有较大差别优点：该理论在Ｐｕｃｋ理论基础上，综合考虑了多重Ｃｕｎｔｚｅ非线性因素理论缺点：对大变形或耦合非线性的情况存在不收敛的现象２Ｐｕｃｋ准则详述Ｐｕｃｋ准则将纤维失效分为纤维失效（ＦｉｂｅｒＦａｉｌｕｒｅ，ＦＦ失效）及纤维间失效（ＩｎｔｅｒＦｉｂｅｒＦａｉｌｕｒｅ，ＩＦＦ失效），是针对单向板进行的一种强度分析准则。ＦＦ失效即为纤维的拉压失效，ＩＦＦ失效包括基体裂纹和纤维／基体界面裂纹。对于ＩＦＦ失效，Ｐｕｃｋ模型可以区分不同的断裂模式并正确计算层合板首次承载后发生的逐渐破坏过程。具体的失效模式如图３所示。蜮髓５２风电叶片多轴向经编织物建模方式研究２０１５年１月表７模型２修改后铺层Ｔａｂｌｅ７Ｍｏｄｉｆｉｅｄｍｏｄｅｌｅｒｏｆｍｏｄｅｌ２修正模型后，重新计算，从变形图可以看到，模型在ｚ方向变形为０，已经消除掉翘曲的影响，模型满足要求，见图９。……ｌ＝一～■一图９修正后Ｚ方向变形图Ｆｉｇ．９ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＺｄｉｒｅｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｍｏｄｉｆｉｅｄ３．５纤维失效系数计算根据应变的连续性，从模型中提取应变进行分析。于模型１，应变无需进行转化，直接从模型中取得主轴应力占。。、丝、。，利用应力应变关系式¨进行转化后，再代人Ｐｕｃｋ公式中进行计算。于模型２，从模型中得到、８、后，利用转轴公式＿１得到对应纤维方向的真实应变后，再同模型１进行相同计算。任意选取其中相同位置的一个单元计算纤维失效。表８为模型１计算结果，表９为模型２计算结果。表８模型１纤维失效计算结果Ｔａｂｌｅ８Ｆｉｂｅｒｆａｉｌｕｒｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｍｏｄｅｌｌ≮骥赣表９模型２纤维失效计算结果ｒａＪ）１ｅ９Ｆｉｂｅｒｆａｉｌｕｒｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｍｏｄｅｌ２从结果可以看到，两种方式得到的失效系数完全一致，因此两种建模方式都是可行的。４结论及展望从上面的分析中可以看到，对多轴向经编织物，可以采用多个单向板分层建模，也可以通过合理等效简化成一层单向板建模，但后者更能有效减少工作量。如果采用多个单向板分层建模，则模型铺层必须对称或为厚板模型，否则会因为平板过薄出现翘曲现象导致结果失真。如果采用简化方式建模，则材料性能必须与由层合板理论合成得到的性能一致，否则结果将有偏差。关于建模方式的研究，以下几个方面需要进一步研究验证：（１）复杂几何外形。本次分析仅验证了简单平板，于曲面或者更为复杂的模型需要进一步验证；（２）复杂受力方式。本次分析仅考虑了单轴受力情况，于复杂受力下的计算结果也需要进一步进行分析验证。参考文献［１］２０１３－２０１７年中国风能风电行业发展现状分析及投资战略研究报告［Ｒ］．风能风电，２０１３．［２］曹芙波，柴雪．国内外风力发电的发展现状及展望［Ｊ］．城市建—设理论研究，２０１２，（３３）：２１６２１７．［３］张效博．多轴向经编针织物在风力发电叶片蒙皮中的应用［Ｊ］．—山东纺织科技，２０１０，（３）：５４５６．［４］刘博，黄争鸣．复合材料风机叶片结构分析与铺层优化［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１２，（Ｏ１）．［５］徐进，张伟．多轴向经编复合材料在风电叶片制造中的应用［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，（ｏ５）：７８．８０．『６］ＺｈｉＹｕｎＷｕ．ＬｅＴｉｅ．ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭｕｌｔｉ．ＡｘｉａｌＷａｒｐＫｎｉｔｔｅｄ２０１５年第１期玻璃钢／复合材料５３ＦａｂｒｉｃｓｉｎＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅＢｌａｄｅ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１１，（６）：４６－５０．［７］王雪芳，丛洪莲，张爱军．风电用多轴向经编织物的结构设计—［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１２，（０６）：６９７２．［８］薛彩虹，李军向，王超，鲁晓锋．复合材料风电叶片有限元建模和屈曲稳定性分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１４，（叭）：４－７．［９］周红涛，刘华，王曙东，孙健．玄武岩纤维增强聚丙烯基复合材料—的力学性能研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１４，（０３）：４７．［１Ｏ］李炳田．复合材料层合板强度计算现状［Ｊ］．军工行业，２００７，０６．［１１］Ｍ．Ｊ．Ｈｉｎｔｏｎ，Ｐ．Ｄ．Ｓｏｄｅｎ，Ａ．Ｓ．Ｋａｄｄｏｕｒ．ＴｈｅＷｏｒｌｄＷｉｄｅＦａｉｌｕｒｅＥｘｅｒｃｉｓｅ［Ｍ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４．［１２］沈观林，胡更开．复合材料力学［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６．［１３］李顺林，王兴业．复合材料结构设计基础［Ｍ］．武汉：武汉工业大学出版社，１９９３．［１４］ＧｅｒｍａｎｉｓｃｈｅｒＬｌｏｙｄ，Ｈａｍｂｕｒｇ．ＧｕｉｄｅｌｉｎｅｆｏｒｔｈｅＣｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅｓ［Ｍ］．ＧｅｒｍａｎｉｓｃｈｅｒＬｌｏｙｄＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＳｅｒｖｉｃｅｓＧｍｂＨ，２０１０．［１５］ＡｌｆｒｅｄＰｕｃｋ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＦａｉｌｕｒｅｉｎＦｉｂｅｒＰｏｌｙｍｅｒＬａｍｉｎａｔｅｓ［Ｍ］．ｏＨＧ，Ｌｅｉｐｚｉｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ，２００８．１－１１５．［１６］Ｍ．Ｓｏｎｎｅｎ，Ｃ．Ｌａｖａｌ，Ａ．Ｓｅｉｆｅｒｔ．Ｎｅｗｗａｙｓｉｎａｎａｌｙｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ—ｏｆｌａｍｉｎａｔｅｓａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＳＡＭＰＥＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｅｅ，Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００３．［１７］ＧｆｉｎｔｈｅｒＬｕｔｚ，ＴｈｅＰｕｃｋｔｈｅｏｒｙｏｆｆａｉｌｕｒｅｉｎｌａｍｉｎａｔｅｓｉｎｔｈｅｃｏｎｔｅｘｔｏｆｔｈｅｎｅｗｇｕｉｄｅｌｉｎｅ［Ｍ］．ＶＤＩ２０１４．’ＲＥＳＥＡＲＣＨ０Ｍ０ＤＥＬＩＧｏＭＵＬＴｌ－ＡＸＩＡＬＷＡＲＰ－ＫＮＩＴＴＥＤＦＡＢＲＩＣＩＮＷＩＮＤＴＵＲＢＩＮＥＲｏＴｏＲＢＬＡＤＥ——ＴＡＮＧＪｉｎ－ｑｉａｎ，ＺＨＵＸｉａｏ－ｑｉｎ，ＬＵＸｉａｏｆｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＤｅｎｇｇａｎｇ（ＳｉｎｏｍａｔｅｃｈＷｉｎｄＰｏｗｅｒＢｌａｄｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｍｕｌｔｉ－ａｘｉａｌｗａｒｐ－ｋｎｉｔｔｅｄｆａｂｒｉｃｉｎｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｒｏｔｏｒｂｌａｄｅｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｆｉｂｅｒｆａｉｌｕｒｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｈｅｎｃｅ，ｍｕｌｔｉｐｌｅｆｉｂｅｒｆａｉｌｕｒｅｃｒｉｔｅｒｉａｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｆｉｒｓｔａｎｄａｂｒｉｅｆｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｗｅｒｅｍａｄｅ．ＴｈｅＰｕｃｋｃｒｉｔｅｒｉａｗａｓｄｅ－—ｓｃｒｉｂｅｄｉｎｄｅｔａｉｌａｎｄｃｈｏｓｅｎｆｏｒａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｗｏｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ－ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓｗｉｔｈｏｎｅｌａｙｅｒｆｏｒｏｎｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｏｎｅｌａｙｅｒｗｉｔｈｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ－ｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ，ａｎｄｔｈｅｆｉｎａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｔｈｅｓａｍｅ．Ｂｏｔｈｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅｐｒｏｖｅｄｔｏｂｅａｃｃｅｐｔａｂｌｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｍｏｄｅｌｉｎｇＣａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｗｏｒｋｌｏａｄ．———Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｒｏｔｏｒｂｌａｄｅ；ｆｉｂｅｒｆａｉｌｕｒｅ；Ｐｕｃｋｃｒｉｔｅｒｉａ；ｍｕｌｔｉａｘｉａｌ；ｕｎｉａｘｉａｌ；ｗａｒｐｋｎｉｔｔｅｄｆａｂｒｉｃ漕喧