风电复合材料叶片段结构强度三维有限元分析

论文摘要

自2005年以来,风能产业在我国得到大规模发展。截止2017年底,我国风电累计装机容量已经超过全球的三分之一。目前风电叶片生产主要使用玻璃纤维复合材料,采用真空灌注的成型工艺。叶片的吸力面、压力面和腹板首先分开成型,然后采用胶接的连接方式将各子部件拼合成整体。复合材料叶片作为风电机组能量吸收的关键部件,承受着复杂的动态载荷。研究表明,叶片在前缘、尾缘和梁帽处的胶接接头在复杂动态载荷下容易产生裂纹和脱粘,这些裂纹和脱粘的扩展将导致叶片结构的破坏。根据相关学者对叶片破坏断面的分析,叶片破坏表现为多种失效模式和行为的耦合效应,包括叶片屈曲、复合材料断裂、胶接脱粘和疲劳损伤等。由于复合材料叶片结构复杂且叶片在服役期间受到的载荷复杂而多变,确定叶片失效的根本原因存在较大的难度。因此,针对大型风电叶片的危险截面开展叶片结构强度研究具有重要的学术价值和工程意义。本文第二章选取美国桑迪亚可再生能源实验室设计的100米叶片（SNL 100-meter）为研究对象。根据该叶片在危险截面处的气动外形数据和复合材料铺层结构,借助ANSYS有限元软件建立了包含胶接接头的等截面叶片段的全三维有限元模型。对叶片段在挥舞和摆振载荷下胶接脱粘的形成和扩展规律进行了分析,并采用Tsai-Wu失效准则进行了材料的失效分析。结果表明,摆振载荷下的胶接脱粘发生在尾缘屈曲的部位,尾缘屈曲是胶接脱粘的驱动因素。分别对比挥舞和摆振载荷下叶片段各部分的起始失效载荷,发现叶片首先出现复合材料失效,然后是胶接脱粘,最后出现结构胶失效。叶片在生产过程中,胶接接头的质量难以准确控制,接头处难免会产生胶接缺陷,如缺胶、结构胶富余、结构胶含有气泡和胶接面夹渣等。在叶片服役期内,胶接接头内的缺陷处极易形成裂纹。所以本文第三章针对胶接接头裂纹展开了研究,分析裂纹的位置对胶接脱粘、材料失效和尾缘屈曲的影响。发现当叶片不同位置存在裂纹时,接头裂纹处的脱粘与否由尾缘屈曲决定。胶接接头裂纹的位置对于材料的起始失效载荷没有影响,但对材料失效的扩展过程有影响。胶接接头裂纹位置不同时,尾缘屈曲的波形与幅值也不同。在摆振载荷下,当胶接接头裂纹位于尾缘时,尾缘屈曲的幅值也越大。由于尾缘屈曲是引起胶接接头脱粘的驱动因素,因此本文第四章以叶片尾缘为研究重点,在尾缘胶接接头中部设置了不同长度的胶接接头裂纹。探究胶接接头裂纹长度对叶片胶接脱粘、材料失效和尾缘屈曲的影响。在挥舞载荷下,裂纹长度的变化对材料失效没有明显影响。而在摆阵载荷下,裂纹长度的增加不会改变材料的起始失效载荷,但会加速材料的失效扩展过程。随着胶接接头裂纹长度的增加,相同大小的摆阵载荷下尾缘屈曲幅值越大,尾缘蒙皮复合材料的失效也越严重。本论文探究了风电叶片胶接接头在挥舞和摆阵载荷下脱粘的形成和扩展规律,分析了叶片段复合材料和结构胶的起始失效载荷和失效位置,也对尾缘屈曲进行了分析。希望本论文能对相关的叶片结构设计人员有一定的帮助。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 黄吉

导师: 王继辉

关键词: 风电叶片,胶接,结构强度,复合材料,有限元

来源: 武汉理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,材料科学,工业通用技术及设备,电力工业

单位: 武汉理工大学

分类号: TB33;TB115;TM315

DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.001308

总页数: 92

文件大小: 7197K

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