風電罩殼設計中夾芯材料的力學響應表征

鐘連兵，翟保利，李 波

(1. 東樹新材料有限公司 四川德陽618000；2. 東方電氣(天津)風電有限公司 天津300462)

風電罩殼設計中夾芯材料的力學響應表征

鐘連兵1，翟保利1，李 波2

(1. 東樹新材料有限公司 四川德陽618000；2. 東方電氣(天津)風電有限公司 天津300462)

風電復合材料葉片和機艙罩通常采用三明治夾心結構來提高產品的剛度和穩定性。以 4點彎曲夾芯梁為例，分別采用殼單元、殼單元和三維單元對其進行模擬分析，并與實驗結果進行比較。結果顯示，綜合使用二維單元和三維單元的模擬結果與理論結果吻合得很好，表明該方法能更準確地模擬夾芯結構的力學行為，是設計復合材料夾芯結構時的理想模擬方法。

復合材料 芯材 有限元 測試 應用

0 引 言

隨著風電產業的發展，風機的功率也越來越大，要求與之配套的復合材料葉片和機艙罩殼也朝著大型化發展。葉片和機艙罩的設計對剛度的要求越來越高，因此對于提高復合材料結構件剛度的夾芯材料在風電復合材料產品中的使用愈加重要(芯材見圖1、2)。

圖1 泡沫芯材Fig.1 Foam core materials

圖2 BALSA芯材Fig.2 BALSA core materials

通常采用夾芯材料來提高產品的剛度和穩定性。芯材在結構中的受力狀態主要是受壓和層間剪切，在以往的有限元結構分析中，一般采用二維面單元來模擬夾芯結構，芯材作為整體鋪層中的1層或幾層進行考慮。二維單元無法獲得結構在厚度方向的力學行為，而芯材的主要功能是提高結構沿厚度方向的剛度。本文通過測試結果和HyperWorks的計算仿真結果比較殼單元和實體加殼單元仿真結果的準確性，尋找復合材料結構整體件中夾芯力學特性的最佳表征。以四點彎曲夾芯梁為例，分別采用全二維單元、綜合使用二維單元和三維單元對其進行模擬分析。

1 芯材的性能參數

芯材的性能如表1、2所示。

表1 芯材的剛度性能Tab.1 Stiffness properties of sandwich materials

表2 芯材的強度性能Tab.2 Strength properties of sandwich materials

BALSA木的 1方向(0 °方向)沿著纖維或木頭的生長方向，X或Y方向應選擇BALSA木的2方向(90 °方向)的性能。由于在結構中主要是壓縮和剪切破壞，因此采用的輸入參數都是壓縮數據，對于剪切性能使用XZ或YZ(垂直-平行方向)剪切模量。

2 芯材測試及模擬計算

在 GL2010規范中要求對機艙罩的頂部變形具有明確要求，因此需要調整頂部剛度滿足設計要求。機艙罩頂部的受力及失效情況如圖3、4所示。

為得到蒙皮承載彎曲變形時的拉伸力和壓縮力和夾芯承載橫向的剪切力，按照 DIN 53293標準的試樣尺寸對GFRP蒙皮20,mm厚PVC芯材進行了模擬計算和實驗測試，仿真計算結果見圖 5、6，實驗結果見表3。

圖3 機艙頂部芯材受力Fig.3 Stress of core material on top of nacelle

圖4 芯材失效模式Fig.4 Failure mode of core material

圖5 六面體夾芯＋殼單元蒙皮Fig.5 Hexahedron core sandwich＋shell unit skin

圖6 殼單元(蒙皮＋夾芯)Fig.6 Shell unit(skin＋sandwich)

表3 芯材的4點彎曲性能Tab.3 Four bending properties of core materials

六面體單元＋殼單元模擬的結果表明夾芯材料的層間剪切強度最大值為 0.752,9,MPa，殼單元蒙皮＋夾芯結果表明夾芯材料的層間剪切強度最大值為0.756,8,MPa。

實驗結果表明，在同等條件下，測試試樣的失效最大剪應力和模擬仿真結果非常接近。仿真結果可以很好地表征芯材的實際響應結果。

3 芯材選擇的關鍵參數

由于殼單元(蒙皮＋夾芯)無法得出芯材厚度方向的正應力，因此對六面體單元＋殼單元的有限元模擬提取了X、Y、Z方向的正應力，如圖7～9所示：

圖7 X方向的最大應力——0.202,MPaFig.7 The Max．stress in X direction：0.202,MPa

圖8 Y方向的最大應力——0.165,MPaFig.8 The Max．stress in Y direction：0.165,MPa

圖9 Z方向的最大應力——0.594,MPaFig.9 The Max．stress in Z direction：0.594,MPa

圖10 ZX方向的最大剪應力——7.529,MPaFig.10 The Max．stress in ZX direction：7.529,MPa

仿真結果表明芯材的最大正應力為厚度方向的壓應力，最大剪應力為層間(厚度方向)剪應力，因此壓縮應力和層間剪應力成為芯材選擇的關鍵制約參數(見圖10～12)。

圖11 XY方向的最大剪應力——0.006,7,MPaFig.11 The Max．stress in XY direction：0.006,7,MPa

圖12 YZ方向的最大剪應力——0.140,MPaFig.12 The Max．stress in YZ direction：0.140,MPa

4 材料的安全系數選取

在采用最大應力準則下，要考慮材料的安全系數，根據GL2010規范要求計算纖維拉伸和纖維間失效，采用如表 4的安全系數。考慮到芯材和蒙皮的粘接屬于纖維之間的粘接范疇，因此芯材宜采用下式中的安全系數：

表4 安全系數組成Tab.4 List of safety factors

5 設計應用

以某型號的機艙罩設計為例，選取芯材相應最大的工況，即GL2010規范中的頂部活載(Live load)工況：均布荷載為 3,kN/m2，采用 60,g/m2PVC木作為夾芯，進行Live load工況應力分析，見圖13～16。

圖13 XZ向最大剪應力——0.558,MPaFig.13 The Max．shearing stress in XZ direction：0.558,MPa

圖14 XZ向超出PVC許用應力——0.32,MPa區域Fig.14 The allowable stress exceeding PVC in XZ direction：0.32,MPa

圖15 YZ向最大壓應力——0.562,MPaFig.15 The Max．shearing stress in YZ direction：0.562,MPa

圖16 YZ向超出PVC許用應力——0.32,MPa區域Fig.14 The allowable stress exceeding PVC in YZ direction：0.32,MPa

由上述計算結果可知，按照最大應力的失效準則，PVC芯材的受力除局部很小的區域外工況響應的力值均在許可應力的范圍之內。因此局部采用BALSA芯材替代PVC芯材滿足設計要求。

6 結 論

①殼單元和實體單元可以很好地表征芯材的層間剪切強度，根據實際工況的需要選擇模擬計算的方法。②對于承受壓力的載荷可以采用實體單元進行計算，提取芯材的最大壓應力。③芯材厚度方向的剪切和壓縮性能為芯材選擇的關鍵參數。④HyperWorks軟件為芯材表征提供了完善的解決方案，從設計的角度確定了選擇芯材的力學性能評判標準，拓展了芯材選擇的空間，為部件的降本增效提供了技術支持。■

［1］ Germanischer Lloyd. Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010[Z]. 2010.

［2］ Altair RADIOSS Reference Guide [Z]. 2010.

［3］ 王耀先. 復合材料結構設計[M]. 北京：化學工業出版社，2001.

［4］ 中國航空研究院. 復合材料結構設計手冊[M]. 北京：航空工業出版社，2001.

［5］ 謝鳴九. 復合材料連接[M]. 上海：上海交通大學出版社，2001.

Mechanical Response Characterization of Sandwich Materials in Structural Design

ZHONG Lianbing1，ZHAI Baoli1，LI Bo2
(1．Dongshu New Materials Co.，Ltd.，Deyang 618000，Sichuan Province，China；2．Dongfang Electric(Tianjin)Wind Power Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300462，China)

Sandwich structure is usually used to improve the rigidity and stability of wind turbine blades and nacelle products．This paper takes four-point bending sandwich beam as an example to simulate shell elements，shell and solid elements respectively and compare them with the testing results．It shows that the simulation analysis of using shell and solid elements fit well with test results and this method can more accurately simulate the mechanical behavior of sandwich structure．Therefore，it is an ideal design of composite sandwich structure simulation.

composite material；sandwich material；Finite Element Analysis(FEA)；testing；application

TM315

A

1006-8945(2016)07-0038-04

2016-06-02