铺设方法对风机叶片复合材料力学性能的影响

ｈ ——复合材料试样的厚度（ｍ ； ｍ ） Ｐ——玻璃纤维的体积密度 （ ， ３。 ｇ ｍ ）
Ｂ＝ Ｊ ％）
㈩
ｌ；
中， 基体材料表现出非线性特性 ， 导致 层合板 的刚度
矩阵呈非线性变化 ，从而使叶片极 限承载能力的计
一
其 中，
算与实际情况存在差异 。桥联模型充 分考虑 了基体 材料 的非线性 特性对复合材 料本构方 程 的影 响 ， 将 其应用于有 限元分析 ， 用到风机 叶片的计算分析 ， 应
在选择好铺设方案 和材料后 ，为了比较铺设方 案的优 良， 以及给有 限元分析提供数据 ， 接下来要通
铺层 主要承受扭矩和剪力 。风机叶片通常是细长 过试验的多层复合状态下单层板的力学性能 ，同时 的弹性体 ， 振动形式主要是弯 曲和扭转 ， 以在复合 选择两到三种多层板的铺设方案 ，进行铺设及制作 所
更好地解决了上述问题［ ９ １ 。
ｆ ——最小数据值 ； ｆ １
（ ——第 ｒ ｒ ） 大数据值 ； ㈩ ——最大数据值 ；
凡 ——试样数量 ； ｋ ——取决 于 ｎ 值和表（ ） １。
通过 以上有限元分析方法 可以看 出 ，多数有限
元方法 ，都是需要基本 的实验来确定 材料基本物理
断裂强力 、 纤维体积含量 、 断裂伸长率 、 拉伸强度 、 弹
体 积 含 量 略 有 不 同 ， 了使 拉 伸 数 据 具有 可 比性 ， 为 我
性模量 、 比强度和 比模量 。由于复合材料试样 的纤维 验 、 检验 和 Ｆ检验等 ， 这些 数据处理方法 ， 逐步 正 运用到复合材料 的力学性能试验数据处理 中。 们用材料 的拉伸强度和弹性模量 除以对应试样 的纤 选取 １ ２ ～ 种实验数据处理方法 ， 不 同铺设方 对 维体积含量 ，得到 了单位纤维体积含量 的拉伸强度 案复合 的多层材料及三维编织物复合材料 的数据进 和弹性模量 （ 简称 比强度和 比模量 ） 。复合材料纤维 行 分析 、 计算和 比较 ， 得到同一铺设方 向的多层板 中 体积含 量的计算 ，目前还没有相关 的国家标准可 以 每一层 的平均力学性 能值 、不 同铺设方案复合 的多 层材料 的力学性能、较佳 的多层板铺设方案和三维 编 织物 复 合材 料 的特 点 。
特征 ， 如弹性模量 、 泊松 比、 抗拉 强度 、 抗压强 度等 ，
即要通过基 本的实验 ，来确定简单复合材料 的本构
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《 装备制造技术）０ １ ２ １ 年第 ５ 期 关系 ， 然后选择合理的有 限元模型 ， 来模拟更 复杂情 是 通过试验确定材料 的基本力学指标 ，然后 借助通 况下的复合材料 的性能及力学特征。此类方法可 以 用 大型有限元 通用程序 ，来分析复杂情况下的复合 选取合理的力学模型 ， 分析复合材料 借助大型通用有 限元程序如 Ａ ｓｓＡ Ａ Ｕ ｎｙ、 Ｂ Ｑ Ｓ等来完 材料本构关系 ，
成型过程 中， 经常使 用 Ｏ ９ ｏ和 ４ 。的铺层交替 部分三维编织物复合材料 ，从下述方法中选取合适 。、０ ５
收稿 日期 ：０ １ ｏ — ６ ２ １－ ２ ２ 作者简介 ： 英（９２ ）女 ， 覃海 １７一 ， 广西南 宁人 ， ， 讲师 主要从事金属 加工工艺方 面理论及 实践教学 ； 刘晓红 （９Ｏ ）女 ， １８一 ， 广西博 白
风力发 电机 叶片（ 简称风机叶片 ） 在翼型确定 的 铺设 。
情 况下 ， 响玻 璃 钢 叶 片 的力 学 性 能 的 主要 原 因有 ： 影 材 料 的选 择 ， 设方 法 ， 型工 艺 等 【 铺 成 １ ］ 。为满 足风 机 叶 １２ 玻 璃 纤 维织 物 的使 用 和影 响 ．
利用纺织品作 为增强结构 ，与基体相复合形 成
片的使用要求 ， 实际成型过程 中， 常通过调整玻璃纤 的复合材料 ， 称为纺织结构复合材料 。 应用于复合材 维布铺设方 向以及采用玻璃纤维 布和玻璃纤维毡交 料 基 布 的纺 织 结 构 ， 般 包 括 机 织 物 、 织 物 、 维 一 针 三 替铺设等方式 ， 来提高复合材料 的力学性能。同时 ，
的编程能力 ，并且按此方法确定 的本构关 系仍要与
工 业 出版 社 ，０ ２ ２０．
【 张少实 ， 茁 ．复合材料 与弹性力学［ 】 ３ ］ 庄 Ｍ ．北京 ： 械工业 机
试验对 比以确定可靠性 ， 目前此方法应用较少。 故 出版社 ，０ ５ ２０ ． 综上所述 ， 在分析风机 叶片时 ， 切实可行 的办法 ［】 ４ 孙珊霞 ． 力发电叶片结构及 铺放性 能研究 ［】武汉 ： 风 Ｄ． 武汉 是通过简单实验 ， 确定材料的基本力学指标 ， 然后通 理工大学 ，０ ７ ２０ ． 过 通用大型有限元通用程序 ，来分析复杂情况下的 【】 荣星 ， ５周 陈明珍 ． 编多 轴 向技术及 其在 复合 材料 中 的应 经 用 叨． 武汉纺织工学 院学 报 ，９ ９ １（ ）８ — ５ １９ ，２ ３ ：１ ８ ． 复合材料本构关系 ，进而分析复合材料制成 的风机
对 比， 论述 了 宏观 力学实验和有限元相 结合 对复合材 料的分析方 法的 可行性 。
关键词 ： 复合材料 ； 风机叶 片； 设方 法； 铺 有限元分析 中图分类号 ： Ｍ３ ５ Ｔ １ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６ ２ ５ ５ （ ０ １）５ ０ ０ － ３ １ ７—４ Ｘ ２ １ ０ — ０ ７ ０
编织物及非织造布等 。
由于织造技术 的发展 ， 对二维 、 三维 编织物增强复合 针织物 ， 又分为纬编针织物和经编针织物两种 。 材料等方面的研究 ， 也在逐步深入 。 经编针 织物具 有尺寸较稳定 和延伸率较小等特点 ， 目 ， 前 用宏观的试验得到铺设方法 ， 对复合材料 特别 是 双 轴 向和 多轴 向衬 经 衬 纬经 编 针 织 物 ，进 一
人， 讲师 ， 主要从事 交通运输方 面的理 论教学。
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Ｅ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕ ａ ｔｉ ｇＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｎｏ５， ０ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｎ ｆ ｅｒｎ ｃ ｎ ｌ ｇ ． ２ １ １
的进 行试 验 和分 析 。
２ １ 试 验 方 法 ．
表 １ ｎ 关 系 表 、
ｋ
复合材料力 学性 能的测定 ， 有宏 观的和微观 的。
２ ３ ４ ５
８ ． ｏ ３８ ０ ｏ ０ １ ６． ９ ２ ２ １ ０ ９ ４ ５７ ． ９ ９ ６ ８ ｏ４ ． ９ ９
宏 观的 主要有拉伸 、 缩 、 压 弯曲 、 剪切 、 劳 、 疲 冲击韧 性及动态力学分析 （ Ｍ 等性 能试验 ， Ｄ Ａ） 通过 以上试 验， 测定复合材料 的相应强度 、 弹性模量及应力 一应
《 备制 造技术 》０ １ 第 ５期 装 ２１年
铺 设 方法对 风机 叶片复合材料 力学性 能的影响
覃海英 。 刘晓红
（ 广西大学 机械工程学院院， 广西 南宁 ５ ０Ｏ ） ３ ０ ４
摘 要： 对铺设 方 向的设计 和铺 设基 布的使 用对风机 叶片复合材料 力学性 能的影响 ， 进行 了比较详 细的分析 ， 并通 过
参照， 参考一些资料 ， 有如下计算公式［ ６ １ ：
。 ：
１ ０ Ｘ ｈ ｘｐ
其 中，
Ｇ— — 纤维 的面 密度 （ ／ ； ｇ ｍ ）
３ 风机叶片 的有限元分 析与设 计
在 目前对 叶片设 计 、 宽度 、 位置等 ） 一般是通过有 限元法分 而复合材料 的三点弯曲试验 ，主要是为 了得到 析 后 决 定 ，直 到 设 计 的 叶片 满 足 规 范 。 Ｓ Ｙ Ｏ ． ． ． ． ｈ ０ 挠度应力 曲线 、 曲弹性模量 、 弯 弯曲强度等方面的资 Ｓｎ ， Ｌｂｅｃ ｏ ｇＬ．ｉｒｓｕ等人 运 用 复合 材 料 梁 理论 结 合 有 限 料， 对于复合材料 弯曲性能的分析 ， 同样可 以引入 比 元 法 ，预 测 了 叶片 的静 态 响 应 和无 阻 尼 动 态 响 应 ， 强度 、 比模 量 的概 念 。 Ｓｒｖｎ ｓ 一 步 采 用梁 单元 预测 了复 合 材 料 叶片 的 ａａａｏ 进 在拉伸性能分 析时 ， 对拉伸强度 的数据处理 ， 以 有 阻尼 动 态响应 ［ ８ １ 。 Ｂ基本参数和 Ａ基本参数最为常用 ， Ｂ基本参数是材 这些分析都是借助有 限元软件基于不 同的复合 料 在使 用时有 ９ ％安全概率时 的力学值 ， Ｏ Ａ基本参 材 料模 型 理 论 ，进行 分 析 的材 料 线 弹 性 本 构 关 系 进 数是材料在使用时有 ９ ９％安全概率时的力学值 。 行 的 ， 在 线 性本 构 理 论 基 础 上 ， 厚 度 方 向用 多项 或 在 Ｈ ｎｏ— ｏｐ ａ 方 法计 算 每 批 试 样 Ｂ ａｓ Ｋ ｏｍ ｎ ｎ 、Ａ 参 式插值或用有 限元离散 ， 并且在计算过程 中， 层合板 数， 方法如下１ ７ １ ： 的刚度矩 阵保持不变 ，或随层合板 的逐层破坏而线 『 … １ 性变化。实 际上 ，复合材料层合板在逐层破坏 过程
纺织结构复合材料 ，具有 比层合复合材料高的层 间 铺层设 计 ， 是复合材 料结构设计 中的重要 内容 ， 可 包括总体铺层设计 和局部细节铺层设计 。前者要满 为基布进行铺设 ， 以提高复合材料的性能。
足总体静 、 动强度和气动弹性要求 ， 后者应满足局部 强度、 刚度和其他功能要求圆 纤维布的铺设 角度 ， 。 常 ２ 复合材料 力学性 能的试验和分 析 见 的有 ０ 、０ 和 ± ５ 等 ，层合板 主要 由单 向层 ｏ ９ｏ ４ｏ 和 ± ５ 组成。在风机叶片中 ０ 铺层 主要承受轴向 ４。 。 力 ， ０ 铺层承受横 向载荷和控制泊松 比， ９。 加入 ４ 。 ５ 剪切强度 、 断裂韧性和冲击损伤容限。 根据不 同的条件和使用场合 ，采用不 同的织物
力 学性 能 的影 响 比较 常 见 ，但 是 随着 有 限元 的研 究
步优化 了这种性能 ， 经编多轴向衬纬织物 ， 能够更合 和广泛使用 ， 通过细观结构研究宏 观力学 ， 逐渐运用 理 地 利 用 材 料 中每 一个 组 成 部分 的优 良性 能 ，在 目