大型风电叶片复合材料损伤性能的实验研究及杂交分析

风能作为一种洁净的可再生能源，越来越受到人们的重视。风力发电系统最关键、最核心的部件之一是风机叶片，叶片结构和材料决定风机的性能和功率。本项目提出对复杂条件下大型风机叶片复合材料(尤其是玻璃纤维增强环氧树脂基体的高分子复合材料)损伤性能进行研究，拟通过实验研究和数值模拟手段，系统研究在不同环境条件下(温度和湿度)和不同载荷(静荷载及疲劳载荷)下纤维增强复合材料的损伤演化过程和机制，在此基础上，将实验结果和数值模拟相结合进行杂交分析，进一步建立叶片复合材料的疲劳损伤模型。从而提出大型风机叶片复合材料损伤力学性能的关键控制指标，提出风机叶片材料疲劳寿命的预测方法，得到大型风机叶片复合材料力学性能的评价模型，形成相应评价方法。

对大型风电叶片复合材料的损伤力学性能进行了详尽的实验和数值模拟研究。具体的来说：（1）对纤维增强复合材料的弹性力学性能进行了实验研究、理论分析和数值建模，系统研究了GFRP在单轴加载条件下的力学性能及其随纤维方位角的关系，三种方法的研究结果相吻合。结果表明，纤维增强复合材料的弹性模量依赖于纤维的方向角。在纤维方向上的弹性模量最大，随着纤维的倾斜，材料的弹性模量出现了先减小后增大的趋势。（2）利用有效界面理论对纳米增强复合材料的弹性性能进行了研究。编制了可用于自动化生成纳米颗粒增强复合材料三维单胞模型的软件。通过参数控制，可控制生成的模型是否包含界面，界面是否搭接，界面层可以包含几个子层，也可以控制生成的纳米颗粒形状（球形、椭球形、圆柱形或者圆饼形）。利用生成的模型，对纳米增强复合材料的界面性能、颗粒大小、颗粒形状、颗粒体积百分比等因素对复合材料力学性能的影响进行了定量研究。（3）对玻璃纤维增强环氧树脂基体复合材料的损伤演化进行了数值模拟。建立了多个不同的损伤模型，比如：单纤维无界面模型，单纤维含纤维/基体界面模型，单纤维含纤维裂纹、界面、基体裂纹模型，多纤维单损伤层模型以及多纤维双损伤层模型等。（4）对自修复复合材料的损伤力学性能进行了研究。研究结果表明，如果该种复合材料内部出现了裂纹，靠近胶囊的裂纹往往易于扩展，同时，胶囊内部也有损伤发生并形成了裂纹。这两种裂纹会出现汇交现象，有利于复合材料的自修复功能，即更容易使胶囊中的修复物质流出对材料中的损伤进行修复。通过上述研究，提出大型风机叶片复合材料损伤力学性能的关键控制指标，得到大型风机叶片复合材料力学性能的评价模型，形成相应评价方法。研究结果有望对大型风机叶片用纤维增强复合材料的设计和制备提供有益的指导。