三维机织复合材料风机叶片多尺度耦合的强度和疲劳特性预测及数值计算

基本信息
批准号:11462016
项目类别:地区科学基金项目
资助金额:50.00
负责人:高晓平
学科分类:
依托单位:内蒙古工业大学
批准年份:2014
结题年份:2018
起止时间:2015-01-01 - 2018-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:王利平,陈晓东,姜鑫,王东宁,吴薇,李国庆,李丹曦,王欣欣
关键词:
三维编织复合材料失效机理力学性能多尺度细观力学
结项摘要

As the key part of wind turbine, the blade is the vital component for energy transformation. The strength and fatigue property of blade have important effects on their reliability and efficiency of wind energy transformation. Various complexes and periodical loads are applied on balde in operation condition,the blade failure is mainly caused by the progressive damage in micro-structure. So, it is important to study the effects of the micro-structure, meso-structure of blade on their strength and fatigue damage by applying multi-scale analysis, and predict the strength and fatigue damage of wind turbine blade. In this project, the 3D woven structure of glass fiber is selected as reinforcement of blade. The strength and fatigue failure damage of wind turbine blade under static load and tenisle perodical load will be researched by applying multi-scale analysis. The models for predicting the strength and fatigue life of blade will be developed and their mechanical properties will be predicted with respect to models.The load spectrum of blade in working condition is computed and the determined load case will be used to simulate the fatigue behavior by applying numerical simulation.The stress relationship of blade between micro-scale, meso-scale and macro-scale will be obtained by applying experiment and numerical simulation, and the strength and fatigue property of wind turbine blade are predicted by combining the material property and structure parameters of blade, which could be used to optimize meso-structure of blade. In conclusion, high quality numerical models and methods for strength analysis and fatigue life prediction will be provided, which will establish theoretical foundations for predicting the strength and fatigue property and reduce experimental cost and difficulty of wind turbine blade in laboratory and production. Also, the experiment and numerical simulation will provide theoretical support for improving independent design level of modern wind turbine blade in our country.

叶片是风机进行能量转换的重要组成部分,其强度和疲劳特性对风机可靠性、应用效率具有重要作用。工况中叶片受复杂、周期性载荷作用,其失效主要由材料微、细观结构的渐进损伤引起。因此基于多尺度法研究微、细观结构及其对强度和疲劳损伤的影响,预测叶片强度和疲劳损伤,具有重要的实用意义和科学价值。 本项目以玻璃纤维三维机织结构作为叶片增强体,应用多尺度耦合方法研究叶片静态强度及拉-拉周期载荷下疲劳和失效破坏,探索叶片强度和疲劳寿命预测模型,预测叶片强度;计算叶片载荷谱,确定工况载荷,数值模拟叶片疲劳特性。通过实验、数值模拟叶片微、细、宏观尺度应力之间关系,实现由组分材料性质和结构参数预测叶片强度和疲劳特性,优化叶片结构设计。项目研究成果为叶片强度分析和寿命预估提供高质量的数值模型和方法;为生产中预测叶片强度和疲劳特性,减少试验费用及难度奠定理论基础;为提升我国现代风机叶片的自主设计水平提供必要支持。

项目摘要

叶片作为风电机组关键部件,是风机进行能量转换的重要组成部分,其强度和疲劳特性对风机可靠性、风能应用效率具有重要作用。随着叶片向大型化发展,且受复杂、周期性载荷作用,对叶片强度及疲劳性能提出更高要求。因此,有必要研究三维机织结构增强体代替传统多轴向经编结构,提高叶片强度和抗分层失效特性。.本项目通过对传统织机改造,织造三维正交机织玻纤织物,其中包含3层经纱和4层纬纱,经纬纱细度均为800tex。以三维正交机织玻纤织物为增强体,环氧树脂和固化剂混合胶液为基体,经真空辅助树脂传递模塑制备了三维正交机织复合材料叶片试样及叶片,在第23届中国国际复合材料博览会展出。.基于GH Bladed建立风机叶片模型,通过定义风力机参数,风和载荷工况,数值模拟风机叶片工况风场,计算叶片工况疲劳载荷和极端载荷,用于叶片疲劳性能分析中。.实验测试玻璃纤维束拉伸、弯曲性能,并与纤维束微观尺度有限元模拟结果比较,验证了有限元模型。实验测试三维正交机织复合材料风机叶片试样拉伸和弯曲性能。根据三维正交机织复合材料内部各组份结构实体尺寸,建立三维正交机织复合材料细观尺度有限元模型。基于ABAQUS数值模拟叶片拉伸性能,与实验结果相比,数值模拟结果最大误差为7.94%。因此FEA模拟与实验结果一致,能够模拟3DOWC拉伸损伤过程。.结合叶片实际铺层,建立了由三维正交机织玻纤织物增强复合材料风机叶片(1KW)宏观尺度模型,基于ABAQUS数值模拟叶片工况载荷下应力、应变响应、叶尖位移及强度性能。数值模拟显示三维正交机织物复合材料叶片强度593.51MPa远大于叶片最大应力19.61MPa,叶尖偏移最大为259.51mm。.三维正交机织复合材料风机叶片具有刚度高、强度高、抗分层、抗损伤失效。通过实验研究和数值模拟,可知三维正交机织复合材料可以应用风机叶片中,有效提升叶片整体的强度,确保叶片安全性能。研究结果为进一步拓展该材料的应用奠定理论基础和提供实践经验。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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