含温湿效应的复合材料风机叶片的破坏

王 蔓, 白 瑞 祥, 李 明 颖, 沈 亚 南

( 1.大连工业大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 大连 116034;2.大连理工大学 工业装备与结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连 116024 )

0 引 言

能源是现代社会经济发展的基础,各国都很重视新能源的研究与利用。目前风能作为很有开发利用价值和技术手段很成熟的新能源,在可再生能源中成本较低,有着广阔的发展前景。风力发电成为风能利用的重要手段[1]。利用风力发电可以减少环境污染,节约石油等常规能源。叶片是风力发电机捕捉风能最关键和基础的部件,其设计、工艺、性能对风机的质量和产能起着至关重要的作用,是保证机组稳定运行的重要因素。大型的叶片采用碳纤维复合材料作为增强性材料更能充分发挥其质轻高强的优点,使叶片既可承载又能减重,以适应叶片发展轻量化的趋势。风力发电机组通常会长期在恶劣环境下运转,要求叶片具有足够的疲劳强度、刚度和稳定性。长期的湿热条件使复合材料风机叶片产生损伤,如裂纹及开裂扩展、分层而导致的力学性能降低甚至风机整体失效。对风机叶片结构性能方面的研究成为国内外学者关注的焦点[2-5],而考虑温湿效应对复合材料叶片材料性能影响的很少。作者考虑温湿环境对复合材料材料风机叶片力学性能的影响,采用Hashin累积损伤失效判据[6],利用ABAQUS软件编写相应的程序,分析了风载下复合材料风机叶片的逐步破坏行为以及温湿载荷对风机叶片强度和刚度的影响。

1 有限元分析

叶片由三部分组成:蒙皮、主梁、腹板,如图1所示。由于风机叶片属于典型的薄壁加筋结构,在建立有限元分析模型时全部离散为板壳单元,可以保证计算结果具有足够的精度。

图1 叶片模型

1.1 层合板单元温湿环境下累积失效有限元分析

考虑热效应,当温度变化ΔT时,平面温度载荷和力矩可写为

(1)

(2)

式中,N和M分别为平面载荷和力矩。

对于吸湿浓度为C的复合材料层合板,其湿度载荷和力矩向量可写成

(3)

(4)

式中,N和M分别为面内载荷和力矩向量。

1.2 三维Hashin破坏准则

复合材料结构典型的破坏模式分别为:基体破坏、纤维破坏和纤维-基体剪切破坏。为模拟复合材料叶片破坏的全过程和预测其破坏模式,采用基于应变分布的三维Hashin失效准则:

(5)

2 算例分析

将叶片简化为悬臂梁模型。根据伯努利方程,叶片迎风面受到的均布载荷为:P=0.5ρv2,其中,ρ为空气密度,ρ=1.225 kg/m3,v为相应的极限风速,v=40.4 m/s。玻璃钢密度为1.5 kg/m3,重力加速度为9.8 m/s2。蒙皮与腹板铺层均为:[03/453/-453/903]T,主梁铺层为:[03/453/-453/03]T。蒙皮、腹板、主梁的单层厚度均为0.13 mm。复合材料层合结构的材料特性为: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。

图2给出了风机叶片的材料性能随温度变化曲线。从图2中可以看出,-40～80 ℃,随温度的上升,风机叶片的材料性能呈下降趋势,材料横向模量E2降低了27.3%,G12和G13降低了20%,G23降低了33.3%；材料强度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%,表明环境温度的升高导致叶片材料性能的劣化。

(a) E2, G12, G23, G13

(b)XC,XT

(c)YC,S23,S12,YT

图2 温度对材料性能的影响

Fig.2 The effects of temperature on material properties

在常温、低温下,湿度对复合材料性能影响不大。当温度为80 ℃时,复合材料叶片的材料性能随湿度变化如图3所示。从图3可以看出,复合材料叶片的材料性能随湿度升高呈下降趋势,湿度很大时,材料强度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%,可见复合材料叶片的材料性能显著降低。

图4为分别考虑温度和湿度对复合材料性能影响时,叶片端部位移比较。由图4可以看出,常温下湿度变化对叶片刚度影响并不明显,这是由于吸湿后材料弹性模量变化不大,而温度变化对叶片刚度的影响则比较显著,其中在最大加载点,湿度为100%,温度为80 ℃时端部位移值比常温干燥状态下的值要高出7.6%。

(a) XC, XT

(b)YC,S23,S12,YT

图3 80 ℃时湿度对材料性能的影响

Fig.3 The effect of humidity on properties at 80 ℃

图4 温度、湿度影响的端部位移

Fig.4 The effects of temperature and humidity on tip displacement

图5为不同温度和湿度下叶片蒙皮和梁的基体拉压破坏情况。从图5看出,湿度不变时,仅温度变化,破坏随温度的下降而减少,叶片未发生纤维-基体剪切破坏和纤维破坏；温度为常温时,湿润环境下,叶片未发生纤维-基体剪切破坏和纤维破坏；当环境温度较高同时湿度较大时,梁有少量发生纤维-基体剪切破坏,未发生纤维破坏。由此可见,高温湿润的环境对复合材料风机叶片材料性能影响很大,导致叶片的强度和刚度均有不同程度的降低。

图5 不同温度、湿度下叶片的破坏

Fig.5 Blade damage at different temperature and humidity

3 结 论

讨论了风载下复合材料风机叶片的逐步破坏以及温湿载荷对风机叶片强度和刚度的影响,从算例分析可以得出:

包含环境温度因素时,风机叶片的刚度随温度上升而降低,破坏随温度的上升而增大。包含温湿效应时,叶片因其吸湿而导致刚度和强度均下降,破坏变得愈严重；相同湿度,环境温度愈高,破坏愈严重。结果表明,高温湿润的环境对复合材料风机叶片材料性能影响很大,导致叶片的强度和刚度均有不同程度的降低。

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