含溫濕效應的復合材料風機葉片的破壞

王 蔓, 白 瑞 祥, 李 明 穎, 沈 亞 南

( 1.大連工業大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 大連 116034;2.大連理工大學 工業裝備與結構分析國家重點實驗室, 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

能源是現代社會經濟發展的基礎,各國都很重視新能源的研究與利用。目前風能作為很有開發利用價值和技術手段很成熟的新能源,在可再生能源中成本較低,有著廣闊的發展前景。風力發電成為風能利用的重要手段[1]。利用風力發電可以減少環境污染,節約石油等常規能源。葉片是風力發電機捕捉風能最關鍵和基礎的部件,其設計、工藝、性能對風機的質量和產能起著至關重要的作用,是保證機組穩定運行的重要因素。大型的葉片采用碳纖維復合材料作為增強性材料更能充分發揮其質輕高強的優點,使葉片既可承載又能減重,以適應葉片發展輕量化的趨勢。風力發電機組通常會長期在惡劣環境下運轉,要求葉片具有足夠的疲勞強度、剛度和穩定性。長期的濕熱條件使復合材料風機葉片產生損傷,如裂紋及開裂擴展、分層而導致的力學性能降低甚至風機整體失效。對風機葉片結構性能方面的研究成為國內外學者關注的焦點[2-5],而考慮溫濕效應對復合材料葉片材料性能影響的很少。作者考慮溫濕環境對復合材料材料風機葉片力學性能的影響,采用Hashin累積損傷失效判據[6],利用ABAQUS軟件編寫相應的程序,分析了風載下復合材料風機葉片的逐步破壞行為以及溫濕載荷對風機葉片強度和剛度的影響。

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。由于風機葉片屬于典型的薄壁加筋結構,在建立有限元分析模型時全部離散為板殼單元,可以保證計算結果具有足夠的精度。

圖1 葉片模型

1.1 層合板單元溫濕環境下累積失效有限元分析

考慮熱效應,當溫度變化ΔT時,平面溫度載荷和力矩可寫為

(1)

(2)

式中,N和M分別為平面載荷和力矩。

對于吸濕濃度為C的復合材料層合板,其濕度載荷和力矩向量可寫成

(3)

(4)

式中,N和M分別為面內載荷和力矩向量。

1.2 三維Hashin破壞準則

復合材料結構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。為模擬復合材料葉片破壞的全過程和預測其破壞模式,采用基于應變分布的三維Hashin失效準則:

(5)

2 算例分析

將葉片簡化為懸臂梁模型。根據伯努利方程,葉片迎風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為相應的極限風速,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。復合材料層合結構的材料特性為: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給出了風機葉片的材料性能隨溫度變化曲線。從圖2中可以看出,-40～80 ℃,隨溫度的上升,風機葉片的材料性能呈下降趨勢,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%,表明環境溫度的升高導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,濕度對復合材料性能影響不大。當溫度為80 ℃時,復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,復合材料葉片的材料性能隨濕度升高呈下降趨勢,濕度很大時,材料強度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%,可見復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復合材料性能影響時,葉片端部位移比較。由圖4可以看出,常溫下濕度變化對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,而溫度變化對葉片剛度的影響則比較顯著,其中在最大加載點,濕度為100%,溫度為80 ℃時端部位移值比常溫干燥狀態下的值要高出7.6%。

(a) XC, XT

(b)YC,S23,S12,YT

圖3 80 ℃時濕度對材料性能的影響

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,僅溫度變化,破壞隨溫度的下降而減少,葉片未發生纖維-基體剪切破壞和纖維破壞；溫度為常溫時,濕潤環境下,葉片未發生纖維-基體剪切破壞和纖維破壞；當環境溫度較高同時濕度較大時,梁有少量發生纖維-基體剪切破壞,未發生纖維破壞。由此可見,高溫濕潤的環境對復合材料風機葉片材料性能影響很大,導致葉片的強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 論

討論了風載下復合材料風機葉片的逐步破壞以及溫濕載荷對風機葉片強度和剛度的影響,從算例分析可以得出:

包含環境溫度因素時,風機葉片的剛度隨溫度上升而降低,破壞隨溫度的上升而增大。包含溫濕效應時,葉片因其吸濕而導致剛度和強度均下降,破壞變得愈嚴重；相同濕度,環境溫度愈高,破壞愈嚴重。結果表明,高溫濕潤的環境對復合材料風機葉片材料性能影響很大,導致葉片的強度和剛度均有不同程度的降低。

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