基于非線性本構關系的復合材料風機葉片有限元極限分析與設計
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- 基于非線性本構關系的復合材料風機葉片有限元極限分析與設計為了研究具有三維復雜構形的復合材料風機葉片的逐次破壞過程和極限承載能力，將復合材料細觀力學非線性本構理論橋聯模型與有限元軟件ABAQUS通過用戶子程序UGENS結合起來對風力發電機葉片結構進行極限強度分析。只需提供纖維和基體的材料性能參數、纖維體積含量以及蒙皮和增強筋的鋪層數據包括鋪設角、層厚和鋪層數，就可預報出復合材料復雜葉片結構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計風機葉片結構提供了一種簡便有效的分析方法。本文以一種20kW風機葉片為例，用此方法實現了新型復后材料葉片結構的極限分析
風能是一種清潔的可再生能源，取之不盡、用之不竭。葉片是風力發電機中最主要的部件。目前的大、中型風機葉片基本上采用蒙皮與主梁的構造形式，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生失穩破壞，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性能。這就需要對這種新型葉片結構進行極限分析并在此基礎上實現合理設計，因為傳統葉片以龍骨梁（腹板）為主承力件。
在目前的設計中，葉片的結構參數（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，直到設計的葉片滿足規范。Oh等人運用復合材料梁理論結合有限元法預測了葉片的靜態響應和無阻尼動態響應。Saravanos進一步采用梁單元預測了復合材料葉片的有阻尼動態響應。Maheri運用殼單元對葉片進行結構劃分，并通過考察不同區域的單元密度來考查收斂性并避免應力集中現象。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-泡沫芯結構。用殼單元對蒙皮進行離散，用12節點三維“夾心”單元模擬腹板，通過對蒙皮、腹板的厚度設計使整個結構滿足葉片設計規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關系進行的，并沒考慮復合材料的非線性，使葉片極限承載能力的計算與實際情況存在差異。實際上，復合材料層合板在逐層破壞過程中基體材料表現出非線性特性,導致層合板的剛度矩陣呈非線性變化。橋聯模型充分考慮了基體材料的非線性特性對復合材料本構方程的影響,將其應用于有限元分析能較好解決上述問題。
1 橋聯模型
經典層板理論中，復合材料結構第k層的平面應力增量與平面應變增量之間的關系是
其中：G表示總體坐標，是該復合材料層在總體坐標系下的當前剛度系數。...
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