薛浩鹏，吴海亮

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

由于高模、高强、质轻等一系列优点，由增强相(纤维)与基体相(树脂)组成的树脂基纤维增强复合材料被广泛研究并应用于生产、交通、航天、国防等领域。纤维增强复合材料的力学性能主要由纤维增强相决定，影响其力学性能的具体因素包括：增强相的材料属性、长度、排列、结构、体积含量、取向等。[1-2]由此可以看出，纤维增强复合材料的力学性能受到各种因素的制约。在设计叶片的时候，要充分考虑不同结构对叶片力学性能的影响。本文运用有限元软件 MSC.Patran &Nastran(版本 2008)，计算并比较 2种不同芯材和不同芯材厚度在相同压力作用下的响应。通过分析不同情况下的稳定性和应力分布，探索芯材对风力发电叶片力学性能的影响，为叶片设计提供可行性指导。

1 材料与模型

1.1 材料

本文主要研究2种芯材(巴萨木和PVC)和不同厚度芯材(10,mm、15,mm、20,mm)对叶片稳定性和应力分布的影响。表1为芯材性能参数。

1.2 模型

在叶片截取2.4,m长度模型进行分析，采用 Shell单元模拟叶片外形(见图1)，Solid单元模拟粘接，总共约 3,600个单元。在叶片模型一端施加固定约束(见图 2、3)，另一端在梁帽上施加100,kN的压力(力的方向为叶片PS侧指向SS侧)。

图1 叶片有限元模型Fig.1 A finite element model of blade

图2 在叶片有限元模型上施加约束Fig.2 Imposing restriction on the finite element model of blade

图3 叶片模型截面Fig.3 Cross section of a blade model

表1 巴萨木和PVC材料参数Tab.1 Parameters of Balsa wood and PVC materials

2 结果分析

2.1 应力分析

材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力。把分布内力在一点的集度称为应力(Stress)，应力与微面积的乘积即微内力。或物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。按照应力和应变的方向关系，可以将应力分为正应力 σ 和切应力 τ，正应力的方向与应变方向平行，而切应力的方向与应变垂直。按照载荷(Load)作用的形式不同，应力又可以分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。[3-4]

由表 2可以看出，同种材料随芯材厚度增加，叶片的拉伸和压缩应力降低。叶片的拉伸和压缩应力主要与材料的弹性模量相关，弹性模量越高，材料的拉伸压缩应力越低。

芯材虽然对叶片的应力分布有一定影响，但通过分析可以知道，芯材对叶片应力的影响很小，因为芯材的弹性模量远低于纤维布的弹性模量。因此可以看出，芯材对叶片的强度影响很小。

表2 不同芯材厚度的应力Tab.2 Stresses of core materials with different thicknesses

2.2 稳定性分析

屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷。某些结构如承受压力的部件，在压力载荷到达一定程度后会发生不可思议的变形(结构受压会导致结构的刚度减弱，当压力越来越大，刚度弱化超出了结构固有的刚度，结构就表现得很脆弱，位移急剧增大，发生屈曲)。由于结构已经在这一载荷作用下发生了失稳，就需要稳定性分析即屈曲分析。[5-6]由表 3可以看出：①在同种芯材的情况下，叶片的稳定性随芯材厚度增加，其稳定性增加。②同种芯材芯材厚度增加，稳定性增加的趋势变缓(15,mm PVC比10,mm PVC 稳定性增加 48.6%，20,mm PVC比 15,mm PVC稳定性增加33.4%；15,mm Balsa比10,mm Balsa 稳定性增加60.3%，20,mm Balsa比15,mm Balsa稳定性增加43.4%)。③不同材料相同厚度的情况下，材料的剪切模量越大，叶片的稳定性越高。

表3 不同芯材厚度的屈曲因子Tab.3 Buckling factors of core materials with different thicknesses

通过对比可以看出，芯材对风力发电叶片的稳定性起着关键作用。因此为了避免设计中发生结构失稳，可以考虑选用剪切模量大的芯材或者增加芯材厚度的方法来提高风力发电叶片的稳定性，避免叶片在运行过程中发生失稳，导致结构破坏。

3 结 论

通过采用 MSC.PATRAN&NASTRAN 软件分析芯材对风力发电叶片力学性能的影响，我们可以得出以下结论：①芯材对叶片的应力分布影响很小，叶片的应力分布主要与材料的弹性模量有关。芯材对叶片的强度贡献很小。②芯材主要影响风力发电叶片的稳定性，主要体现在两个方面：一是芯材的剪切模量，芯材的剪切模量越大，叶片的稳定性越高；二是芯材的厚度，芯材的厚度越大，叶片的稳定性越高，但随着芯材厚度增加，叶片的稳定性增加的幅度降低。▉

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