考虑逐步破坏和环境载荷影响的复合材料风机叶片的强度和刚度分析

作     者：沈亚南 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：白瑞祥

授予年度：2010年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：复合材料叶片 刚度退化 逐步破坏 温湿载荷 模型改进 

摘      要：本文研究了具有三维复杂构形的复合材料风机叶片的逐步破坏过程和刚度退化情况,引入破坏准则,分别考虑基体破坏,基体-纤维剪切破坏,纤维破坏三种不同破坏模式。利用有限元软件ABAQUS的Standard模块通过用户子程序USDFLD对风机叶片进行破坏和刚度衰减分析。并考虑温度和湿度对叶片的强度及刚度的影响。最后对模型进行了改进和优化,得到了较为合理的模型。 本文采用有限元分析方法对叶片结构进行强度,刚度及逐步破坏分析,并考虑温湿载荷对叶片结构性能的影响,最后对模型进行改进及优化,得到以下结论： 1.基体破坏是风机叶片材料的主要破坏模式,发生破坏部分是曲率变化最大的部分;这里应力集中最严重。叶片材料逐步破坏的发展与累积将导致叶片的强度破坏,同时还导致叶片整体刚度的折减,从而使叶片变形增大,这些都是诱发叶片早期失效的重要因素,采用合理的尺寸过渡对风机叶片的强韧化大有益处。 2.在考虑材料的累积损伤行为时,在位移载荷图中发生刚度衰减的曲线出现震荡,说明叶片结构破坏后因为刚度衰减而使得其稳定性变差,也说明在叶片结构中存在局部失稳情况。 3.温度和湿度对叶片的刚度和破坏的影响是不容忽视的,当只考虑温度影响时,叶片的刚度随温度下降而增大。破坏随温度的下降而减少。考虑温湿效应时,复合材料因为吸湿使其刚度和强度减小,破坏更严重。并且,同一湿度下,随温度的升高,这种效果更加严重。 4.通过逐渐减少蒙皮厚度,增加梁厚度但只增加腹板根部厚度这种改进模型的方法,可以有效减少叶片质量,很大程度上增加叶片结构的强度,刚度和稳定性。在此基础上,通过减少铺层中±45°层和调整蒙皮及腹板铺层顺序的方法也能进一步改善叶片结构的强度,刚度及稳定性。另外,通过减少蒙皮和腹板90°层而增加0°层的方法可以达到更好的效果。 5.在铺层角度调整结论基础上,利用遗传算法对叶片模型厚度进行进一步优化,得到更加合理的结果。 项目资助：辽宁省百千人才项目