风电叶片后缘粘接胶理想宽度的模拟.pdf

２０１５年第４期玻璃钢／复合材料风电叶片后缘粘接胶理想宽度的模拟薛彩虹，李成良，朱小芹（中材科技风电叶片股份有限公司，北京１００１９２）摘要：近年来，随着风电行业的快速发展，叶片后缘粘接开裂成为一种主要的失效形式。因此，后缘粘接胶理想宽度的模—拟成为一种必要。计算结果表明，后缘实体粘接胶最理想的粘接宽度范围为１００１５０ｍｍ。关键词：风电叶片；粘接胶；后缘中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＫ８３文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１５）０４００１１０５太阳对地球的辐射能约有２％转变为风能。世界气象组织预计全球风能总资源量约为５３万亿ｋＷ／ｈ，约是水力资源的ｌ０倍，相当于１．０８万亿吨…标准煤。风电是目前技术最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式之一。我国拥有丰富的风力资源，风电发展不存在资源瓶颈，发展风力发电是我国能源战略的一项重要内容。风电叶片是风电机组最关键的组件之一。随着风力发电机单台功率的不断提高，风轮叶片也越来越大，最大长度已超过８０ｍ，而且还将变得更长，所以对质量可靠性要求也越来越高。纤维增强复合材料由于其良好的力学性能和可设计性，成为一种很重要的工程材料，在航空航天、造船、汽车、风电等领域得到日益广泛的应用。提高风电机组发电率的重要手段是改进叶片的气动外形和增加叶片的尺寸，当叶片的尺寸增加时，重量的增加要快于能量的增加，而风机产生的电能和叶片长度的平方成正比。叶片是水平轴风力发电机的关键部件，风力发电机的风能利用效率与叶片形状密切相关，所以叶片的设计与优化是风力发电机设计制造中的重要工作内容。复合材料具有较强的结构特性，是一种多相体材料。其力学性能及损伤破坏规律不仅取决于各组分材料性能，同时也取决于细观结构特征］。结构复合材料在灌注成型后内部本身就含有各种各样的缺陷，如孔隙、空洞、裂纹、褶皱、白纱等，由于这些缺陷与其周围物质的强度和模量不同，破坏了复合材料的力学性能，导致局部刚度和强度下降，以至于降低了复合材料结构件的可靠性。叶片粘接区是整体结构中最薄弱的环节，粘接质量受粘接剂本身的质量和实际的粘接工艺影响非常大。纤维增强复合材料中存在四种基本的失效模式，即基体开裂、分层、纤维断裂及纤维与基体界面脱胶开裂。上述四种基本失效模式虽然可组合出多种复杂模式，但“”任何复合材料的失效均可分为以基体控制为主“”或以纤维控制为主两种］。然而，后缘开裂集上述四种失效模式于一体，因此研究后缘实体粘接胶的理想宽度的评估具有重要意义。１粘接对结构的影响叶片结构形式如图１所示。ｌ——’’ｌｑ－／－一ｌｌ图１叶片结构形式Ｆｉｇ．１Ｂｌａｄｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ叶片通常主要由上蒙皮、下蒙皮和腹板部件构成，部件是由碳纤维或玻璃纤维．环氧树脂灌注而成，上下蒙皮和腹板由粘接胶和粘接带粘接而成。粘接后的后缘形成一个尖角，在这种线弹性结构下将导致应力奇异点的产生，也就是高强度下的应力集中，这种应力集中可能是后缘粘接带初始粘接失效的一种形式５］。因为固化温度、粘接胶材料性能和几何参数、粘接时滑移粘接面以及粘接带整体的强度等都影响着粘接性能，都可能导致粘接带—收稿日期：２０１４１０．２０作者简介：薛彩虹（１９８６一），女，硕士，主要从事风轮叶片结构设计和分析等相关工作。１２风电叶片后缘粘接胶理想宽度的模拟２０１５年４月失效。然而，实体粘接胶层的厚度和宽度也是一个影响粘接性能的重要因素。ＡｄａｍｓＲＤ的研究表明：粘接胶层越厚，其包含的缺陷越多，如微裂纹和空隙等，因此粘接胶层越薄，失效载荷越大Ｊ。ＧｌｅｉｃｈＤＭ的研究表明：粘接胶层越薄，蒙皮与粘接胶界面的剥离和剪切应力越大ｊ。另外，粘接胶的刚度和硬化度同样影响粘胶性能。当粘接厚度小于临界值时，随着粘接宽度的递减，粘接带的极限失效强度递增。粘接厚度在一个相对小的范围内时，极限失效强度变化比较明显。当粘接厚度大于临界值时，粘接带的极限失效强度往往是一个稳定的值，等同于块体强度。而且，刚度比也是粘接胶的一个固有材料参数，当粘接厚度小于临界值时，对于比较小的刚度比，随着粘接厚度的变化，极限失效强度的变化也比较明显。２后缘模型的建立经验证，从叶尖到叶根方向，叶片长度７０％的部分后缘夹角小于等于２０。，虚拟裂纹闭合技术（ＶＣＣＴ）的偏差比较小，并且在可接受的范围之内Ｊ。本文叶片后缘模型的夹角为２Ｏ。，上蒙皮和下蒙皮长５００ｍｍ，宽３００ｍｍ（见图２），其材料为玻璃纤维复合材料，铺层顺序（上下蒙皮铺层顺序相同）及对应材料和材料性能分别见表１和表２。蒙皮后缘夹角界面使用粘接胶进行粘接，模型的粘接宽度分别按５０ｍｍ、７５ｍｍ、ｌＯＯｍｍ、１２５ｍｍ和１５０ｍｍ进行模拟，通过计算验证最优粘接宽度。有限元模型网格的大小为２５×２５ｒａｍ，上下蒙皮单元总数目为４８０个，节点总数目为５２５。将有限元模型一端简化为悬臂梁，见有限元模型约束图（图２），在模型长度方向的①中面进行加载，加载方式分以下三种：挥舞方向加②③载４０００Ｎ；摆振方向加载４０００Ｎ；挥舞和摆振方向各加载４０００Ｎ。图２有限元模型约束Ｆｉｇ．２Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ渤遴表１蒙皮铺层顺序及对应材料Ｔａｂｌｅ１Ｓｈｅｌｌｓｔａｃｋｉｎｇｓｅｑｕｅｎｃｅａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ表２材料属性Ｔａｂｌｅ２Ｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ３计算结果ＶｏｎＭｉｓｅｓ于１９１３年提出了一个屈服准则，这个屈服准则被称为ＶｏｎＭｉｓｅｓ屈服准则。它的内容是：当某一点应力应变状态的等效应力应变达到与某一应力应变状态无关的定值时，材料就屈服；或者说材料处于塑性状态时，等效应力始终是一个不变的定值。ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力和应变是一种等效应力和应变，它用应力和应变等值线来表示模型内部的应力和应变分布情况，它可以清晰地描述出一种结果在整个模型中的变化，从而使分析人员可以快速地确定模型中的最危险区域。ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力和应变大，只是代表该处的应力和应变状态不够理想（多数情况是希望应力和应变较小），往往是材料容易破坏的地方，也是材料变形较大的地方，因此常用来作为判断。通过上述三种形式的加载，得到的结果数据如表３至表５所示。表３挥舞方向的ＶｏｎＭｉｓｅｓ值Ｔａｂｌｅ３ＶｏｎＭｉｓｅｓｖａｌｕｅｏｆｆｌａｐｗｉｓｅ２０１５年第４期玻璃钢／复合材料１３表４摆阵方向的ＶｏｎＭｉｓｅｓ值Ｔａｂｌｅ４ＶｏｎＭｉｓｅｓｖａｌｕｅｏｆｅｄｇｅｗｉｓｅ表５挥舞和摆阵方向的ＶｏｎＭｉｓｅｓ值Ｔａｂｌｅ５ＶｏｎＭｉｓｅｓｖａｌｕｅｏｆｆｌａｐｗｉｓｅａｎｄｅｄｇｅｗｉｓｅ从表３可以看出，粘接胶的ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力和应变水平随粘接宽度的增大而增大；蒙皮的ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力和应变水平随粘接宽度的增大而减小。由于模型在局部失稳之前，蒙皮与蒙皮之间按照刚度比分配载荷，两者在界面处变形协调，因此不通过界面传递载荷，蒙皮和粘接胶上的应力越小、越协调、越稳定；而失稳后，由于蒙皮局部屈曲，蒙皮刚度下降，蒙皮与蒙皮之间不再按刚度比分配载荷，蒙皮通过界面把部分载荷传递到另一面蒙皮，蒙皮与粘接胶界面应力太大会导致彼此失去支撑作用，进一步分层或是剥离。同理，蒙皮和粘接胶上的应力和应变越小、越协调、越稳定。为了避免粘接胶和蒙皮局部应力集中现象和材料变形太大而导致破坏，蒙皮和粘接胶的应力应变取中间值，以保证结构相对稳定，所以粘接宽度为１００ｍｍ时为理想状态。从表４可以看出，粘接胶和蒙皮的ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力和应变水平随粘接宽度的增大而减小，所以粘接宽度为１５０ｒａｍ时为理想状态。从表５可以看出，粘接胶的ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力和应变水平随粘接宽度的增大而增大；蒙皮的ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力和应变水平随粘接宽度的增大而减小。为了避免粘接胶和蒙皮局部应力集中现象和材料变形太大而导致破坏，蒙皮和粘接胶的应力应变取中间值，以保证结构相对稳定，所以粘接宽度为ｌＯ０ｍｍ时为理想状态。综上所述，从ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力和应变角度来看，理想的粘接宽度范围为１００～１５０ｍｍ。纤维失效主要是由平行于纤维方向的拉伸应力所引起的。其物理意义就是ＵＤ层在多向力作用下，当平行于纤维方向的应力等于或大于单轴应力作用下纤维失效所需应力时，纤维就发生了失效。纤维间失效主要有基体一基体和基体一纤维界面的微观力学应变，然后沿着平行于纤维扩展宏观裂纹，进而导致分离或剥离。研究表明，损伤引起单层刚度下降，使应力重新分布，加速应力向未损伤层和周围单元转移，从而使应力集中得到缓解，层板的单层破坏载荷明显提高，从而提高层板的极限载荷，提高程度受铺层方式的影响。可见，由损伤引起的刚度下降应在层合板失效分析中加以考虑¨１。本文值表示平行于纤维方向的值，主要的失效模式是纤维失效。ｌ，值表示垂直于纤维方向（厚度方向）的值，由于复合材料层合板结构沿厚度方向的强度较弱，当局部存在层间应力集中时容易造成各铺层间的相互剥离即层间分层。从表６至表１１可以看出，两者同ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力和应变一样，理想的粘接宽度范围为１００～１５０ｍｍ。表６挥舞方向的值Ｔａｂｌｅ６Ｘｖａｌｕｅｏｆｆｌａｐｗｉｓｅ０，Ｃ】｜（Ｉｌ１４风电叶片后缘粘接胶理想宽度的模拟２０１５年４月表８挥舞和摆阵方向的值Ｔａｂｌｅ８Ｘｖａｌｕｅｏｆｆｌａｐｗｉｓｅａｎｄｅｄｇｅｗｉｓｅ表１１挥舞和摆阵方向的Ｙ值Ｔａｂｌｅ１１Ｙｖａｌｕｅｏｆｆｌａｐｗｉｓｅａｎｄｅｄｇｅｗｉｓｅ最大剪应力是引起流动破坏的主要原因。从表１２至表１４可以看出，粘接胶和蒙皮的剪应力和应变水平随粘接宽度的减小而增大，所以粘接宽度为１５０ｍｍ时为理想状态。表ｌ２挥舞方向的ＸＹ值Ｔａｂｌｅ１２ＸＹｖａｌｕｅｏｆｆｌａｐｗｉｓｅ表１４挥舞和摆阵方向的ＸＹ值Ｔａｂｌｅ１４ＸＹｖａｌｕｅｏｆｆｌａｐｗｉｓｅａｎｄｅｄｇｅｗｉｓｅ４结论本文采用的是复合材料层合板壳模型，模拟了叶片后缘夹角在２０。和粘接宽度分别为５０ｍｍ、７５ｍｍ、１００ｍｍ、１２５ｍｍ和１５０ｍｍ时，从ＶｏｎＭｉｓｅｓ值、平行于纤维方向的值（）、垂直于纤维方向的值（ｙ）和纤维方向的剪切值（ｘＹ）四种情况下分析了后缘实体粘接胶最理想的粘接宽度范围。计算结果表明，后缘实体粘接胶最理想的粘接宽度范围为１００～１５０ｍｍ。在以上的宽度范围之内，后缘应力水平相对最低，强度较低，后缘比较安全。复合材料产品的力学性能及损伤破坏规律不仅取决于各组分材料性能，同时也取决于细观结构特２０１５年第４期玻璃钢／复合材料１５征］。该模型分析方法的不足之处在于：该模型没有考虑实际生产中存在的缺陷，如孔隙、空洞、裂纹、褶皱、白纱等因素¨。参考文献［１］中国风电能否继续高歌猛进［Ｊ］．电气制造，２０１ｌ，（Ｏ２）．［２］顾怡红．风力发电机叶片优化设计方法研究［Ｊ］．浙江大学．［３］刘克明，金莹，康林萍，谌昀，付青峰．复合材料的细观力学研究进展［Ｊ］．江西科学，２０１０，（０３）．［４］习年生，于志成．纤维增强复合材料的损伤特征及失效分析方法［Ｊ］．航空材料学报，２０００，（Ｏ２）．［５］Ｍ．Ａ．Ｅｄｅｒ．Ａｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈｔｏｆｒａｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓａｔｔｈｅｔｒａｉｌｉｎｇｅｄｇｅｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｒｏｔｏｒｂｌａｄｅｓ［Ｊ］．ＷｉｎｄＥｎｅｒｇｙ，２０１４，１７：４８３－４９７．［６］ＡｄａｍｓＲＤ，ＣｏｍｙｎＪ，ＷａｋｅＷＣ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｄｈｅｓｉｖｅｊｏｉｎｔｓｉｎｅｎｓｉ・ｎｅｅｎｎｇ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：ＣｈａｐｍａｎａｎｄＨａｌｌ，１９９７．［７］ＧｌｅｉｃｈＤＭ，ＶａｎＴｏｏｒｅｎＭＪＬ，ＢｅｕｋｅｒｓＡ．Ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｂｏｎｄｌｉｎｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｆ—ｆｅｃｔｓｏｎｆａｉｌｕｒｅｌｏａｄｉｎａｄｈｅｓｉｖｅｌｙｂｏｎｄｅｄｓｔｒｕｃ—ｔｕｒｏｓ［Ｊ］．Ａｄｈｅｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ１．，２００１，１５：１０９１１１０１．［８］ＳｅｎＹａｎｇ．Ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆａｄｈｅｓｉｖｅｌｙｂｏｎｄｅｄｊｏｉｎｔｓｗｉｔｈｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｈｅｓｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．［９］Ｍ．Ａ．Ｅｄｅｒ．Ａｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈｔｏｆｒａｃｔｕｒｅａｎａｌｙ８ｉｓａｔｔｈｅｔｒａｉｌｉｎｇｅｄｇｅｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｒｏｔｏｒｂｌａｄｅｓ［Ｊ］．ＷｉｎｄＥｎｅｒｇｙ，２０１４，１７：—４８３４９７．［１Ｏ］李军向．复合材料层合板失效分析［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１４．［１１］刘军，李英梅．复合材料层板损伤失效分析［Ｊ］．东北大学学报，２００６，（Ｏ１）．［１２］刘克明，金莹，康林萍，谌昀，付青峰．复合材料的细观力学研究进展［Ｊ］．江西科学，２０１０，（０３）．［１３］谈娟娟，等．风电叶片用结构胶粘剂粘度及触变性试验分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１３．［１４］周伟，等．风电叶片复合材料结构缺陷无损检测研究进展［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１３．’Ｓｎ僵ＵＬＡＴＩＮＧＩＤＥＡＬＷＩＤＴＨ０～Ｉ＇ＨＥ－ＩＲＡＩＬＩＮＧＥＤＧＥＡＤＨＥＳＩＶＥＧＬＵＥｏＦＷＩＮＤＴＵＲＢＩＮＥＢＬＡＤＥＳ———ＸＵＥＣａｉｈｏｎｇ，ＬｉＣｈｅｎｇｌｉａｎｇ，ＺＨＵＸｉａｏｑｉｎ（ＳｉｎｏｍａｔｅｃｈＷｉｎｄＰｏｗｅｒＢｌａｄｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗｉｎｄｐｏｗｅｒｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｔｈｅｃｒａｃｋｏｆｔｈｅｔｒａｉｌｉｎｇｅｄｇｅｂｏｎｄｉｎｇｏｆｂｌａｄｅａｃｔｓａｓａｍａｊｏｒｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｉｄｅａｌｗｉｄｔｈｏｆｔｈｅｔｒａｉｌｉｎｇｅｄｇｅａｄｈｅｓｉｖｅ—ｇｌｕｅｈａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｎｅｃｅｓｓｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：ｔｈｅｂｅｓｔｂｏｎｄｉｎｇｗｉｄｔｈｏｆｔｈｅｔｒａｉｌｉｎｇｅｄｇｅａｄｈｅｓｉｖｅｇｌｕｅｉｓｒａｎｇｉｎｇｆｒｏｍ１００～１５０ｍｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ；ａｄｈｅｓｉｖｅ；ｔｒａｉｌｉｎｇｅｄｇｅ