熱塑性葉片隔膜成型過程中的有限元分析

王曉亮

熱塑性葉片隔膜成型過程中的有限元分析

王曉亮

（山西機電職業技術學院，山西長治046011）

針對熱隔膜成型在大尺寸風機葉片方面的研究，利用ABAQUS軟件對熱塑性葉片有限元模型進行位移變形分析，接觸分析，熱分析與熱應力分析，最終確定了風力機葉片在熱隔膜成型過程中的薄弱環節及溫度加載方式。

葉片；有限元分析；熱隔膜成型；

由于發電功率和發電成本的要求，風力機葉片通常安裝位置較高，尺寸較大[1]。熱塑性材料具有質量輕和耐沖蝕的優點符合大型葉片的工作環境要求，但其成型成本較高，限制了其在大尺寸風機葉片上的應用。

熱隔膜成型工藝是將熱塑性復合材料經層壓、預浸工藝之后，置于模具表面，利用真空和加熱等手段，將材料壓向模具，形成所需形狀[2]，其成型示意圖如圖1所示。

圖1 成型示意圖

由于其成型壓力小，成品質量優，模具成本低的特點，非常適合于大型葉片的制造。本文通過ABAQUS有限元軟件，分析葉片材料在隔膜成型過程中的應力變化，指出成型工藝中的薄弱環節，為大型熱塑性葉片的設計及生產提供一定參考價值。

1 隔膜成壓件的結構

本文中的葉片材料選用為SL850熱隔膜材料[3]，其參數及層壓結構如表1所示。預浸料層壓板結構如圖2所示。

表1 SL850熱隔膜材料基本參數

圖2 預浸料層壓板結構圖

2 材料構造模型及參數

層壓復合材料為夾芯結構，根據復合材料有限元分析方法，將平面復合材料假設為剛性，其不同層面的泊松比和彈性模量如表2所示。

表2 材料參數模型及屬性

3 有限元模型

依照上述材料模型建立有限元模型并進行網絡劃分得到，圖3為三維模型圖及網絡劃分圖，其中網絡單元類型為六面體實體單元，其特性為線性減縮積分，加載的初始條件和邊界條件為復合材料平面模型中X和Y方向固定，Z方向加載，加載方式為面加載且加載的最后載荷值為0.1 MPa.

圖3 三維模型圖及網絡劃分圖

4 葉片熱塑性材料位移變形分析

采用DOF求解器，得到位移變形云圖如圖4所示。

圖4 位移變形云圖

選擇TimeHist Postpro工具對Z方向最大變形量進行分析，繪制位移—時間曲線，如圖5所示。

圖5 位移—時間曲線

由曲線圖可知在成型過程中，Z方向上的位移在載荷加到一定時間段之后，變形量不再增加，因此可知，在隔膜成型過程中不會因形變增大而引發厚度不均，符合大尺寸葉片厚度要求，有助于風機葉片成型。

5 葉片模具接觸分析

為了更全面地研究隔膜成型在巨型風機葉片方面的應用，需要分析葉片翼形成型過程中，熱塑性材料與模具的接觸分析，三維模型如圖6所示，其中上部模型為熱塑性層壓材料，下部模型為模具。

圖6 接觸分析模型

接觸分析中需要定義主動面和從動面，其中熱塑性材料為主動面，模具為從動面，將模具約束為不可變形的剛體。如圖7所示。

圖7 接觸面定義

經POST1后處理器，得到接觸模型的等效應力云圖，如圖8所示。

圖8 等效應力云圖

從圖8可知，接觸面、壓力大小與模具表面傾斜度相關，即與模具表面積成反比關系。在成型模具扭角接近葉片模具尖部的部分達到最大，此處由于壓力較大，為葉片翼形成型最為困難的地方。

6 葉片隔膜成型熱分析與熱應力分析

（1）熱分析

在接觸面邊界進行溫度加載，加載方式為面加載，隔膜成型溫度為70℃，如圖9所示。

圖9 溫度加載

選擇邊界單元進行熱分析，得到溫度等值線，如圖10所示。

圖10 溫度等值線

（2）熱應力分析

基于之前的溫度等值線，分析在加載面上即Z方向上應力與溫度關系，得到應力與溫度曲線圖，如圖11所示。

圖11 應力—溫度曲線

對比應力與溫度曲線及溫度等值線可知，隨著溫度的升高，應力逐漸增大，且隨溫度增大，應力變化梯度較大，因此在隔膜成型過程中，在加溫和降溫階段，為防止應力集中，溫度變化不易頻繁，即要求隔膜成型過程中空氣溫度應逐漸接近最高加熱溫度和最低冷卻溫度。

7 結束語

（1）熱隔膜成型過程中，葉片翼形厚度均勻符合大尺寸葉片制造工藝要求；

（2）熱塑性葉片熱隔膜成型過程中，葉尖部分翼形成型最為困難；

（3）葉片在整個熱隔膜成型階段，溫度加熱和冷卻梯度不宜過大。

[1]陳通謨.世界風電20年及發展趨勢[J].風力發電，1999，3（2）：10-13.

[2]李宏運.先進復合材料制造技術[M].北京：化學工業出版社，2004：188-189.

[3]張曉明，劉雄亞.纖維增強熱塑性復合材料及其應用[M].北京：化學工業出版社，2007：124-125.

Finite Element Analysis of Thermoplastic Blade Diaphragm

WANG Xiao-liang
（Shanxi Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Changzhi Shanxi 046011，China）

Aiming at the research of hot diaphragm molding in large-size fan blades，ABAQUS software was used to analyze the displacement and deformation，contact analysis，thermal analysis and thermal stress analysis of the finite element model of thermoplastic leaves，finally，the weak link and temperature loading mode of wind turbine blades during hot diaphragms forming were established.

blade；finite element analysis；hot diaphragm molding

TH162

A

1672-545X（2017）02-0086-03

2016-11-23

王曉亮（1986-），男，山西長治人，碩士，助教，研究方向：機械設計。