馬鐵強(qiáng)，林耀坤，孫傳宗，蘇 龍，單光坤

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 前言

葉片成本約占風(fēng)電機(jī)組總成本的20%。高性價比葉片是風(fēng)電機(jī)組性能和效益的重要保障[1]。為了降低葉片成本、提高葉片的可靠性，玻璃纖維、碳纖維等復(fù)合材料被廣泛用于葉片的制造領(lǐng)域。復(fù)合材料對于實(shí)現(xiàn)葉片的高可靠性、低成本和輕量化，一直發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，也有部分資料顯示[2]：每年約有3 800余起復(fù)合材料葉片失效和故障發(fā)生，誘因存在于葉片的加工、運(yùn)輸、安裝等環(huán)節(jié)。此外，長期服役條件下的葉片也會出現(xiàn)疲勞損傷和極限強(qiáng)度破壞，較為典型的損傷包括脫層、裂紋等[3-4]。為了有效降低復(fù)合材料葉片損傷和破壞發(fā)生的概率，深入掌握風(fēng)力機(jī)葉片材料損傷的機(jī)理和損傷發(fā)生及演化過程顯得十分必要。這將為風(fēng)力機(jī)葉片的形貌、結(jié)構(gòu)和鋪層材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)、明確方向[5]。

文獻(xiàn)[6]采用纖維失效和纖維間失效分析方法，研究了風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)合材料的分層和基體失效問題，利用FF和IFF分析、估計(jì)結(jié)構(gòu)的破壞模式及發(fā)生位置。文獻(xiàn)[7]分析了風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)失效特性，在復(fù)合加載條件下開展了52.5 m葉片結(jié)構(gòu)的倒塌試驗(yàn)，觀測了極限載荷作用下葉片損傷全過程，分析了葉片失穩(wěn)后的失效區(qū)域和試驗(yàn)過程中的失效模式。文獻(xiàn)[8]分析了臨界載荷作用下風(fēng)力機(jī)葉片的損傷行為。以上研究對復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片損傷問題進(jìn)行了初步探索。

然而，風(fēng)力機(jī)葉片失效形式復(fù)雜，多種失效形式同時發(fā)生、彼此復(fù)合，從單一尺度難以清楚得出損傷發(fā)生機(jī)理，有必要從細(xì)觀到宏觀的多個不同尺度聯(lián)合審視和分析風(fēng)力機(jī)葉片損傷發(fā)生的漸進(jìn)演化過程，才能真正揭示風(fēng)力機(jī)葉片損傷從孕育、發(fā)生到發(fā)展的過程和機(jī)理。文獻(xiàn)[9-10]研究表明：高密度的復(fù)合材料基體裂紋是分層等嚴(yán)重?fù)p傷模式發(fā)生的前兆。文獻(xiàn)[11]闡述了風(fēng)力機(jī)葉片損傷演化過程，用多尺度漸進(jìn)損傷模型評估了風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的次臨界損傷演化和剛度退化。文獻(xiàn)[12]提出了一種多尺度損傷模型，描述了復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片在準(zhǔn)靜態(tài)和循環(huán)載荷作用下的漸進(jìn)層裂和接頭脫粘，可預(yù)測葉片的漸進(jìn)失效和相應(yīng)的承載能力損失。上述文獻(xiàn)在風(fēng)力機(jī)葉片多尺度分析方法方面做了大量探索性研究，但對葉片損傷機(jī)理和演化歷程缺少更深入的分析和研究。在文獻(xiàn)[13-15]研究中，某些復(fù)合材料葉片模型僅考慮葉片結(jié)構(gòu)中的損傷起始和演化，而其他模型僅考慮葉片在變形和應(yīng)力水平方面的整體響應(yīng)[16-17]。此外，雖然在一些葉片模型中模擬了損傷演化，但它們通?；谑?zhǔn)則，如蔡吳或蔡希爾，這些準(zhǔn)則并未考慮任何物理損傷或相關(guān)材料剛度降低[18]。為了準(zhǔn)確地預(yù)測葉片結(jié)構(gòu)分析中所用材料的非線性響應(yīng)，必須考慮材料的行為。

本文的風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析新方法，首先定義了材料的本構(gòu)關(guān)系并得到材料損傷后積分點(diǎn)的本構(gòu)方程，然后基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)對HASHIN準(zhǔn)則進(jìn)行修正并定義材料的損傷演化規(guī)律，得到漸進(jìn)損傷模型并在有限元程序中作為用戶定義的材料子程序(UMAT)實(shí)現(xiàn)。本文以某型號復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片為例以此方法研究極限風(fēng)荷載作用下風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)合材料的力學(xué)行為，對葉片材料損傷的演化歷程進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 漸進(jìn)損傷分析模型

1.1 風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析流程

首先，目標(biāo)極限載荷分若干單步按一定增量逐漸增加載荷，每步載荷增量對應(yīng)的材料狀態(tài)保持不變。由于風(fēng)力機(jī)葉片由不同材料和鋪設(shè)角度按一定規(guī)律鋪設(shè)制成故將風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)合材料視為層合板結(jié)構(gòu)，建立對應(yīng)的有限元方程并求解。計(jì)算得到的有限元模型各單元“應(yīng)力-應(yīng)變”狀態(tài)代入材料失效準(zhǔn)則，判斷單元是否失效。

如果單元失效，則根據(jù)損傷演化規(guī)律計(jì)算損傷狀態(tài)，并依據(jù)材料退化方案對材料剛度進(jìn)行退化處理。此時，前一方程組的解已不再滿足當(dāng)前結(jié)構(gòu)的平衡方程，因此根據(jù)退化后的材料屬性，在相同載荷條件下建立新的有限元平衡方程。

重復(fù)應(yīng)力求解、失效準(zhǔn)則判斷及材料剛度退化等步驟，直至風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中不再出現(xiàn)新的損傷。持續(xù)增加載荷，重復(fù)迭代過程，直至風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)最終失效。在復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析過程中，如果載荷增量足夠小，那么損傷處的材料剛度在退化后無需建立新的有限元方程組。圖1為具體的葉片復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析方法。

圖1 復(fù)合材料葉片漸進(jìn)損傷分析方法

1.2 材料本構(gòu)關(guān)系

復(fù)合材料作為正交各向異性材料,其包含三個相互正交的彈性對稱面，所以材料有9個獨(dú)立的彈性常數(shù)，材料的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)方程可以表示如式(1)所示。

[σ]=[C][ε]

(1)

(2)

根據(jù)文獻(xiàn)[19]提出的漸進(jìn)損傷模型，在材料發(fā)生損傷后，引入損傷矩陣M[D]，則損傷后等效應(yīng)力可以表示成式(3)。

(3)

(4)

其中，

(5)

(6)

(7)

相應(yīng)的損傷剛度矩陣為

[Cd]=[M-1][C][MT-1]

(8)

所以可得材料損傷后積分點(diǎn)的本構(gòu)方程為

[σ]=[Cd][ε]

(9)

1.3 復(fù)合材料失效判斷準(zhǔn)則

研究復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片失效機(jī)理和損傷演化常用的失效判定準(zhǔn)則包括最大應(yīng)力應(yīng)變、蔡-希爾(Tsai-Hill)、蔡-吳(Tsai-Wu)等失效準(zhǔn)則。上述失效準(zhǔn)則考慮了不同應(yīng)力及相互作用的影響，但卻缺少對不同失效模式的描述[20]。為了評估風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)合材料中纖維和基體的損傷情況，本文用HASHIN準(zhǔn)則作為損傷起始判據(jù)和失效準(zhǔn)則。該判據(jù)和準(zhǔn)則可預(yù)測復(fù)合材料的層內(nèi)損傷響應(yīng)。HASHIN準(zhǔn)則涵蓋了纖維拉伸失效、纖維壓縮失效、基體拉伸失效、基體壓縮失效、法向拉伸失效等5種失效模式。

(1)纖維拉伸失效(σ11≥0)。

(10)

(2)纖維壓縮失效(σ11<0)。

(11)

(3)基體拉伸失效(σ22>0)。

(12)

(4)基體壓縮失效(σ22<0)。

(13)

(5)法向拉伸失效(分層)。

(14)

式(10)～(14)中，σii，σij是單層復(fù)合材料各個主方向以及相應(yīng)面內(nèi)的剪切應(yīng)力；Xa，Ya，Za,Sij分別是單層復(fù)合材料各主方向的強(qiáng)度，拉伸情況下a為T，壓縮情況下a為C；α為材料非線性因子。

1.4 材料損傷演化與退化模型

在滿足HASHIN失效準(zhǔn)則條件下，需要對材料屬性按退化方案進(jìn)行剛度折減。多數(shù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)漸進(jìn)損傷分析模型的材料退化方案是根據(jù)失效模式及特點(diǎn)，按比例對材料彈性常數(shù)直接進(jìn)行折減[21-22]。文獻(xiàn)[23-24]采用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)中內(nèi)部損傷的狀態(tài)變量表征材料損傷狀態(tài)，剛度矩陣的退化是基于損傷狀態(tài)變量對材料單元節(jié)點(diǎn)計(jì)算得到的。不同狀態(tài)變量表示不同損傷模式，材料的臨界斷裂應(yīng)變能釋放率決定其損傷狀態(tài)變量。

與連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)方法相比，直接剛度折減模型中的材料性能折減系數(shù)由試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)確定，而有限元模型只能用于特定材料體系和特定結(jié)構(gòu)。此外，材料性能折減系數(shù)選用不當(dāng)，會導(dǎo)致材料退化剛度矩陣奇異，最終將導(dǎo)致數(shù)值模擬過程不收斂。為此，本文用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)方法表征材料退化。

損傷演化過程可描述為應(yīng)變能釋放過程。若材料點(diǎn)應(yīng)變能釋放密度等于斷裂能密度，則該材料點(diǎn)失效。該過程中的材料以線性或指數(shù)形式軟化，宏觀上表現(xiàn)為彈性模量退化和承載能力下降。本文假定損傷起始發(fā)生后材料滿足線性等效“應(yīng)力—應(yīng)變”本構(gòu)關(guān)系，如圖2所示。圖中A、B、C點(diǎn)分別為材料損傷起始點(diǎn)、材料完全失效點(diǎn)、損傷過程中的當(dāng)前時刻。

圖2 材料應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系曲線

本文模型中對材料的本構(gòu)關(guān)系的定義和對材料的損傷演化通過自編用戶子程序UMAT實(shí)現(xiàn)。UMAT子程序能夠?qū)崿F(xiàn)對單元積分點(diǎn)應(yīng)力分析、失效判定、損傷狀態(tài)變量計(jì)算、損傷本構(gòu)建立，以及損傷狀態(tài)信息的反饋。

近年來，Linde[25]等對損傷后的單元剛度進(jìn)行非線性退化，考慮了損傷累積對剛度的影響，同時網(wǎng)格劃分對計(jì)算 的收斂性有較大影響，為了減小對網(wǎng)格劃分的依賴性引入等效位移，定義為

δeq,iq=εijLC

(15)

定義損傷狀態(tài)變量變化規(guī)律為

(16)

(17)

(18)

2 復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片模型

本文研究所用葉片為美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)公開發(fā)表，用于研究比較5MW風(fēng)機(jī)模型所屬的葉片如圖3所示。該風(fēng)力機(jī)葉片采用DU翼型和雙腹板截面支撐結(jié)構(gòu)。如圖3b所示，該葉片包括葉根、葉尖、前緣和后緣，內(nèi)部有主梁、腹板等支撐結(jié)構(gòu)，主梁與腹板采用C型連接，構(gòu)成支撐結(jié)構(gòu)。市場上梁常用D型、O型、矩形和C型等型式。D型、O型、矩形腹板其特點(diǎn)是重量輕，對葉片運(yùn)輸要求較高。由于葉片前緣強(qiáng)度和剛度較低，在運(yùn)輸過程中局部易于損壞。同時這種葉片整體剛度較低，運(yùn)行過程中葉片變形較大，必須選擇高性能的結(jié)構(gòu)膠，否則極易造成后緣開裂。C型梁其優(yōu)點(diǎn)是主梁和腹板在前緣粘接部位常重疊，以便增加粘接面積。在后緣粘接縫，由于粘結(jié)角的產(chǎn)生而變堅(jiān)固了。在有扭曲變形時，粘接部分不會產(chǎn)生剪切損壞。葉片整體強(qiáng)度和剛度較大，在運(yùn)輸、使用中安全性好。因此本文應(yīng)用的雙腹板支撐結(jié)構(gòu)具有一定的典型性和代表性。

圖3 葉片結(jié)構(gòu)圖

2.1 風(fēng)力機(jī)葉片有限元模型

本文建立了風(fēng)力機(jī)葉片翼型截面草圖，通過放樣建立葉片氣動外形的三維幾何模型?？紤]到葉尖對有限元分析結(jié)果影響較小，并且會造成建模過程更復(fù)雜，幾何建模過程中應(yīng)去掉葉尖結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[26]指出了該葉片內(nèi)部組件的形狀和位置，其中腹板位于橫截面翼弦的15%和50%處；前后腹板之間為主梁。主梁是葉片的主要支撐結(jié)構(gòu)，承受葉片所受到的主要彎曲荷載。為了正確模擬復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片的力學(xué)性能，用殼單元對葉片的幾何模型進(jìn)行有限元分網(wǎng)，同時假定殼單元呈平面應(yīng)力狀態(tài)。圖4所示為風(fēng)力機(jī)葉片在某截面處的有限元網(wǎng)格模型。該網(wǎng)格采用了殼單元，因此上殼和下殼連接邊緣被視為永久粘合的界面。

圖4 宏觀尺度葉片截面分析模型

2.2 材料參數(shù)與層壓策略

風(fēng)力機(jī)葉片的蒙皮和翼梁通常用多個不同的層壓材料和夾層板制造。為了簡化風(fēng)力機(jī)葉片模型，假設(shè)蒙皮、前腹板和后腹板均采用由玻璃纖維與芯材按照[45°/0°/-45°/C16]s鋪層增強(qiáng)策略組成的夾芯結(jié)構(gòu)。根據(jù)表1[13]推薦的材料，定義風(fēng)力機(jī)葉片有限元模型中的材料屬性。如表1所示，復(fù)合材料有10種材料屬性，例如彈性模量、泊松比、剪切模量、密度等。風(fēng)力機(jī)葉片共計(jì)用到了混合纖維材料(Hybrid Fiber Mat)、玻璃纖維(GFRP)、聚乙烯(Polyethylene)、梁帽混合物(Spar Cap Mixture)等4種材料，分別用于葉片外側(cè)鋪層材料、增強(qiáng)纖維材料、鋪層夾芯材料和腹板夾芯材料。

表1 材料及其屬性

3 極限載荷與加載

3.1 極限載荷

標(biāo)準(zhǔn)工況條件下，空氣動力、重力和離心力是風(fēng)力機(jī)葉片的主要載荷來源。為了計(jì)算和分析簡便，此處忽略離心力及其慣性力影響，空氣動力成為引起風(fēng)力機(jī)葉片發(fā)生變形、損傷和破壞的主要外力來源。沿葉片展向各葉素上所受的空氣動力可由葉素-動量理論(BEM)[27-28]評估和計(jì)算。

葉素周圍氣體流動速度W可分解為葉片揮舞方向分量vrx和葉片擺振方向分量vry。即風(fēng)速可w表示為

(19)

式中，v為風(fēng)輪遠(yuǎn)前方氣流速度,m/s；vr為風(fēng)輪處氣流速度,m/s；a為軸向誘導(dǎo)因子；a′為周向誘導(dǎo)因子；Ω為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s；r為葉素旋轉(zhuǎn)形成的圓環(huán)半徑,m。

綜合動量定理和葉素理論，可求出周向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子a′，進(jìn)而在葉片展向方向上，按照公式(20)～(23)對各葉素所受的空氣動力和動力矩進(jìn)行積分，求出葉片所受到的空氣動力載荷。

(20)

(21)

(22)

(23)

式中，R0為輪轂半徑，m；ρ為空氣密度 ，kg/m3；t為葉素的弦長，m；ct為切向力系數(shù)；cn為法向力系數(shù)；FN為葉片揮舞方向作用力，N；FT為葉片擺振方向作用力，N；MN為葉片揮舞方向力矩，N·m；MT為葉片擺振方向力矩，N·m。

3.2 極限載荷加載

該風(fēng)力機(jī)葉片由DU30、DU40、DU93等3種翼型構(gòu)成，并按照翼型的展向分布可將葉片分為不同分段。各分段處的弦長不同，所受載荷也有較大差異。本文所述風(fēng)力機(jī)葉片沿展向共分7段，各段分別施加載荷。DU40翼型、DU30翼型分別占據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片上一段，DU93翼型占據(jù)5段，如圖5a所示。風(fēng)力機(jī)葉片各段單元節(jié)點(diǎn)上施加的風(fēng)載荷及其分布情況如圖5b所示。為了研究極限風(fēng)載荷作用下的風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)合材料損傷演化過程，按時間歷程改變逐漸增加風(fēng)載荷。假定時間間隔為1 s，作用于風(fēng)力機(jī)葉片上的風(fēng)速從1 m/s到22 m/s逐漸加大。

圖5 葉片加載部位示意圖

4 分析與討論

仍以典型的5 MW復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片為例，并按本文方法進(jìn)行非線性有限元建模、風(fēng)況加載和應(yīng)力計(jì)算，得出不同風(fēng)況條件下復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片的應(yīng)力分布云圖。分析可知復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片中纖維和基體的損傷與風(fēng)速及極限風(fēng)載荷之間的關(guān)系，并分析了復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片中纖維和基體的損傷形成機(jī)理。

分析可知，空氣動力使葉片彎曲和扭轉(zhuǎn)；離心力使葉片承受拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)；重力使葉片承受拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)。葉片的前緣采用了0°、﹢45°、-45°三種角度鋪層。0°鋪層主要支撐離心力和氣動力產(chǎn)生的葉片軸向拉壓應(yīng)力。﹢45°和-45°鋪層承受扭矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力。

4.1 纖維損傷演化過程

圖6為葉片不同位置的纖維損傷與風(fēng)速之間關(guān)系。本文定義了損傷變量的含義，損傷變量值為 0 代表材料未受損傷，值為 1 時候代表材料發(fā)生失效，依據(jù)HASHIN準(zhǔn)則，圖6中數(shù)值達(dá)到1時，即表明纖維發(fā)生損傷。結(jié)合圖7所示有限元模型，分析可知復(fù)合材料葉片各部位纖維損傷在細(xì)觀層面的演化和發(fā)展過程。

圖6 不同位置纖維損傷單元隨風(fēng)速變化圖

圖7a～圖7d是葉片纖維材料損傷變量云圖。如圖7a所示，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到14 m/s時，從葉跟向葉片過渡的后緣區(qū)域纖維最先出現(xiàn)損傷。如圖7b所示，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到16 m/s時，葉根區(qū)域纖維出現(xiàn)輕微損傷，在葉根和過渡區(qū)域的主梁也出現(xiàn)損傷。隨風(fēng)速增大，葉根與后緣的損傷開始延翼展方向延伸，并逐漸連接。圖7c中當(dāng)風(fēng)速達(dá)到19 m/s時，后緣表面出現(xiàn)新?lián)p傷。

圖7 葉片纖維損傷與風(fēng)速關(guān)系圖

如圖8所示，主梁與后緣的過渡區(qū)域在主應(yīng)力方向出現(xiàn)應(yīng)力集中，由于主梁較后緣更厚、強(qiáng)度更高。因此，主梁與后緣過渡區(qū)域的纖維易出現(xiàn)損傷如圖7c所示。此處纖維損傷將隨風(fēng)速增大，逐漸沿著翼展方向擴(kuò)展到葉尖如圖7d 所示。

圖8 風(fēng)速為19 m/s時，葉片過渡區(qū)域應(yīng)力圖

圖9為纖維損傷處單元應(yīng)力隨風(fēng)速變化關(guān)系圖。由圖9可知，不同位置纖維應(yīng)力變化趨勢大致相同。后緣過渡區(qū)域的前半程應(yīng)力值始終保持最大，并最先達(dá)到最大；但當(dāng)風(fēng)速達(dá)到14 m/s時，卻出現(xiàn)驟降。此時，后緣過渡區(qū)域纖維發(fā)生損傷、斷裂，并失去承載能力，單元應(yīng)力值迅速下降。葉根和后緣中段區(qū)域的纖維也將發(fā)生損傷、斷裂，失去承載能力，應(yīng)力曲線下降。值得注意的是，某一單元應(yīng)力消失即纖維損傷失效，勢必造成周圍單元應(yīng)力增加，從而引起相應(yīng)纖維的加速損傷和失效。

圖9 不同位置纖維損傷單元應(yīng)力與風(fēng)速關(guān)系圖

4.2 基體損傷演化過程

圖10為不同位置基體損傷與風(fēng)速關(guān)系圖。分析圖11可知，基體損傷首先發(fā)生在葉根處，并沿著翼展方向逐漸擴(kuò)展，與文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)論基本一致。

圖10 不同位置基體損傷單元隨風(fēng)速變化圖

如圖11a 所示，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到12 m/s時，葉根處基體出現(xiàn)輕微損傷。這意味著葉片根部應(yīng)力大于其他區(qū)域應(yīng)力。如圖11b所示，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到14 m/s時，后緣過渡和前緣區(qū)域處發(fā)現(xiàn)輕微的基體損傷。如圖11c所示，當(dāng)風(fēng)速增大到15 m/s時，葉片后緣中段發(fā)現(xiàn)輕微的基體損傷。如圖11d所示，當(dāng)風(fēng)速增大到19 m/s時，葉片中段的基體損傷開始分別向葉尖、葉根逐步擴(kuò)展。

圖11 葉片基體損傷與風(fēng)速關(guān)系圖

在基體損傷演化過程中，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到14 m/s時，基體損傷開始逐漸加重。這一現(xiàn)象是由纖維斷裂后失去承載能力所引起。纖維的斷裂失效會導(dǎo)致周圍基體材料承受更大的載荷而出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而加速基體損傷失效過程。

圖12為基體損傷處單元應(yīng)力隨風(fēng)速的變化關(guān)系圖。

圖12 不同位置基體損傷單元應(yīng)力與風(fēng)速關(guān)系圖

圖12中，后緣和葉根的應(yīng)力曲線與纖維損傷的曲線特性一致，纖維損傷后應(yīng)力曲線也相應(yīng)下降。但前緣和后緣中段兩條曲線與葉根和后緣過渡區(qū)域兩條曲線不同，在風(fēng)速增大過程中出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力下降。分析可知，該現(xiàn)象是由于基體損傷并快速擴(kuò)散所導(dǎo)致，形成曲線上第一次下降，隨著風(fēng)速增大單元應(yīng)力再次增大，而當(dāng)風(fēng)速達(dá)到發(fā)生纖維損傷值時應(yīng)力曲線驟降形成第二次下降。

5 結(jié)論

本文給出了復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片建模和分析方法，研究了漸進(jìn)式加載過程中葉片在極限載荷作用下結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生機(jī)理和演化過程。相關(guān)研究可為提高葉片承載性能、預(yù)測和防止損傷發(fā)生提供重要參考。研究結(jié)論如下：

(1)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)葉片損傷的應(yīng)力集中區(qū)位于葉根及葉根向葉片主體過渡的區(qū)域，損傷過程是由葉根向葉尖不斷擴(kuò)展的漸進(jìn)過程。因此，葉片上述結(jié)構(gòu)區(qū)域是優(yōu)化和加強(qiáng)的重點(diǎn)區(qū)域。

(2)基體裂紋可直接引起復(fù)合材料葉片在斷裂面及其附近區(qū)域承載能力的大幅下降，并將間接影響復(fù)合材料主應(yīng)力方向承載能力。

(3)復(fù)合材料葉片損傷主要出現(xiàn)在后緣區(qū)域，應(yīng)力較其他部位更大。在葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)向后緣方向加大腹板間距，以提高后緣區(qū)域承載能力。

(4)葉片腹板根部的鋪層結(jié)構(gòu)薄弱、承受載荷大，易出現(xiàn)局部失效。在復(fù)合材料葉片設(shè)計(jì)和制造時，可考慮提高該區(qū)域的鋪層厚度。