【摘 要】
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风力机在大型化、海上化发展的同时,随着数量的不断增加,风力机叶片出现事故的次数频频发生,这使得对风力机叶片损伤失效的研究显得尤为重要。利用实验研究所设计风力机叶片的损伤失效,这不仅会使成本增加,也会拖延工程时间。而找到合适的模拟方法对风力机叶片进行数值模拟,可以很好的解决这个问题。现阶段,学者大多关注单一失效模式对叶片的影响,未考虑各种失效模式耦合作用。本文主要从力学模拟角度,研究复合材料叶片三类
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风力机在大型化、海上化发展的同时,随着数量的不断增加,风力机叶片出现事故的次数频频发生,这使得对风力机叶片损伤失效的研究显得尤为重要。利用实验研究所设计风力机叶片的损伤失效,这不仅会使成本增加,也会拖延工程时间。而找到合适的模拟方法对风力机叶片进行数值模拟,可以很好的解决这个问题。现阶段,学者大多关注单一失效模式对叶片的影响,未考虑各种失效模式耦合作用。本文主要从力学模拟角度,研究复合材料叶片三类主要的失效模式,即复合材料层合板损伤失效、界面粘性分离失效、胶体开裂失效。为了研究这些失效模式之间的相互作用,对这三种失效模式进行耦合失效分析。并在此基础上提出模拟复合材料风力机叶片多失效模式分析的方法。本文从以下四个方面开展研究工作:(1)分别对三类失效模式提出相应的计算方法,并利用ABAQUS进行模拟验证。层合板板损伤失效、界面粘性分离失效、胶体开裂失效分别采用Hashin失效模型、内聚力模型(CZM)/虚拟裂纹闭合技术(VCCT)、扩展有限元法(XFEM)进行数值模拟。并简单阐述这些方法的理论及计算过程,借助ABAQUS模拟已有实验结果或解析解的算例,通过对比结果说明所用方法的适用性和精确性。(2)探究界面粘性分离失效和胶体开裂失效的疲劳破坏。模拟方法基于Paris法则,利用裂纹扩展速率分别对这两种失效模式进行模拟,其中模拟界面粘性分离的数值方法为VCCT,胶体开裂为XFEM。通过数值模拟结果与已有实验结果的进行对比,验证所使用的方法的可行性。(3)研究多失效模式数值模拟的可行性,以及各个失效模式之间相互作用。先模拟界面粘性分离-胶体开裂失效模式、层合板损伤-界面粘性分离失效模式,然后在此基础上进行三种失效模式的耦合分析。通过相应的数值模拟,说明数值方法的可行性,并讨论了三类失效模式的互相影响,得出在分析复合材料风力机叶片失效时须进行多失效模式耦合分析的必要性。(4)对复合材料风力机叶片段进行多失效模式分析。此部分提出一种分析风力机叶片失效的方法,即先对全尺寸风力机叶片进行流固耦合分析,计算出叶片在工作载荷时的变形和应力。然后观察变形和应力结果,挑选出较为危险的叶片段。最后对这个风力机叶片段进行多失效模式分析。通过模拟多失效模式下叶片段的损伤情况说明方法的可行性和参考价值。
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