风电罩壳设计中夹芯材料的力学响应表征

钟连兵，翟保利，李 波

(1. 东树新材料有限公司 四川德阳618000；2. 东方电气(天津)风电有限公司 天津300462)

风电罩壳设计中夹芯材料的力学响应表征

钟连兵1，翟保利1，李 波2

(1. 东树新材料有限公司 四川德阳618000；2. 东方电气(天津)风电有限公司 天津300462)

风电复合材料叶片和机舱罩通常采用三明治夹心结构来提高产品的刚度和稳定性。以 4点弯曲夹芯梁为例，分别采用壳单元、壳单元和三维单元对其进行模拟分析，并与实验结果进行比较。结果显示，综合使用二维单元和三维单元的模拟结果与理论结果吻合得很好，表明该方法能更准确地模拟夹芯结构的力学行为，是设计复合材料夹芯结构时的理想模拟方法。

复合材料 芯材 有限元 测试 应用

0 引 言

随着风电产业的发展，风机的功率也越来越大，要求与之配套的复合材料叶片和机舱罩壳也朝着大型化发展。叶片和机舱罩的设计对刚度的要求越来越高，因此对于提高复合材料结构件刚度的夹芯材料在风电复合材料产品中的使用愈加重要(芯材见图1、2)。

图1 泡沫芯材Fig.1 Foam core materials

图2 BALSA芯材Fig.2 BALSA core materials

通常采用夹芯材料来提高产品的刚度和稳定性。芯材在结构中的受力状态主要是受压和层间剪切，在以往的有限元结构分析中，一般采用二维面单元来模拟夹芯结构，芯材作为整体铺层中的1层或几层进行考虑。二维单元无法获得结构在厚度方向的力学行为，而芯材的主要功能是提高结构沿厚度方向的刚度。本文通过测试结果和HyperWorks的计算仿真结果比较壳单元和实体加壳单元仿真结果的准确性，寻找复合材料结构整体件中夹芯力学特性的最佳表征。以四点弯曲夹芯梁为例，分别采用全二维单元、综合使用二维单元和三维单元对其进行模拟分析。

1 芯材的性能参数

芯材的性能如表1、2所示。

表1 芯材的刚度性能Tab.1 Stiffness properties of sandwich materials

表2 芯材的强度性能Tab.2 Strength properties of sandwich materials

BALSA木的 1方向(0 °方向)沿着纤维或木头的生长方向，X或Y方向应选择BALSA木的2方向(90 °方向)的性能。由于在结构中主要是压缩和剪切破坏，因此采用的输入参数都是压缩数据，对于剪切性能使用XZ或YZ(垂直-平行方向)剪切模量。

2 芯材测试及模拟计算

在 GL2010规范中要求对机舱罩的顶部变形具有明确要求，因此需要调整顶部刚度满足设计要求。机舱罩顶部的受力及失效情况如图3、4所示。

为得到蒙皮承载弯曲变形时的拉伸力和压缩力和夹芯承载横向的剪切力，按照 DIN 53293标准的试样尺寸对GFRP蒙皮20,mm厚PVC芯材进行了模拟计算和实验测试，仿真计算结果见图 5、6，实验结果见表3。

图3 机舱顶部芯材受力Fig.3 Stress of core material on top of nacelle

图4 芯材失效模式Fig.4 Failure mode of core material

图5 六面体夹芯＋壳单元蒙皮Fig.5 Hexahedron core sandwich＋shell unit skin

图6 壳单元(蒙皮＋夹芯)Fig.6 Shell unit(skin＋sandwich)

表3 芯材的4点弯曲性能Tab.3 Four bending properties of core materials

六面体单元＋壳单元模拟的结果表明夹芯材料的层间剪切强度最大值为 0.752,9,MPa，壳单元蒙皮＋夹芯结果表明夹芯材料的层间剪切强度最大值为0.756,8,MPa。

实验结果表明，在同等条件下，测试试样的失效最大剪应力和模拟仿真结果非常接近。仿真结果可以很好地表征芯材的实际响应结果。

3 芯材选择的关键参数

由于壳单元(蒙皮＋夹芯)无法得出芯材厚度方向的正应力，因此对六面体单元＋壳单元的有限元模拟提取了X、Y、Z方向的正应力，如图7～9所示：

图7 X方向的最大应力——0.202,MPaFig.7 The Max．stress in X direction：0.202,MPa

图8 Y方向的最大应力——0.165,MPaFig.8 The Max．stress in Y direction：0.165,MPa

图9 Z方向的最大应力——0.594,MPaFig.9 The Max．stress in Z direction：0.594,MPa

图10 ZX方向的最大剪应力——7.529,MPaFig.10 The Max．stress in ZX direction：7.529,MPa

仿真结果表明芯材的最大正应力为厚度方向的压应力，最大剪应力为层间(厚度方向)剪应力，因此压缩应力和层间剪应力成为芯材选择的关键制约参数(见图10～12)。

图11 XY方向的最大剪应力——0.006,7,MPaFig.11 The Max．stress in XY direction：0.006,7,MPa

图12 YZ方向的最大剪应力——0.140,MPaFig.12 The Max．stress in YZ direction：0.140,MPa

4 材料的安全系数选取

在采用最大应力准则下，要考虑材料的安全系数，根据GL2010规范要求计算纤维拉伸和纤维间失效，采用如表 4的安全系数。考虑到芯材和蒙皮的粘接属于纤维之间的粘接范畴，因此芯材宜采用下式中的安全系数：

表4 安全系数组成Tab.4 List of safety factors

5 设计应用

以某型号的机舱罩设计为例，选取芯材相应最大的工况，即GL2010规范中的顶部活载(Live load)工况：均布荷载为 3,kN/m2，采用 60,g/m2PVC木作为夹芯，进行Live load工况应力分析，见图13～16。

图13 XZ向最大剪应力——0.558,MPaFig.13 The Max．shearing stress in XZ direction：0.558,MPa

图14 XZ向超出PVC许用应力——0.32,MPa区域Fig.14 The allowable stress exceeding PVC in XZ direction：0.32,MPa

图15 YZ向最大压应力——0.562,MPaFig.15 The Max．shearing stress in YZ direction：0.562,MPa

图16 YZ向超出PVC许用应力——0.32,MPa区域Fig.14 The allowable stress exceeding PVC in YZ direction：0.32,MPa

由上述计算结果可知，按照最大应力的失效准则，PVC芯材的受力除局部很小的区域外工况响应的力值均在许可应力的范围之内。因此局部采用BALSA芯材替代PVC芯材满足设计要求。

6 结 论

①壳单元和实体单元可以很好地表征芯材的层间剪切强度，根据实际工况的需要选择模拟计算的方法。②对于承受压力的载荷可以采用实体单元进行计算，提取芯材的最大压应力。③芯材厚度方向的剪切和压缩性能为芯材选择的关键参数。④HyperWorks软件为芯材表征提供了完善的解决方案，从设计的角度确定了选择芯材的力学性能评判标准，拓展了芯材选择的空间，为部件的降本增效提供了技术支持。■

［1］ Germanischer Lloyd. Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010[Z]. 2010.

［2］ Altair RADIOSS Reference Guide [Z]. 2010.

［3］ 王耀先. 复合材料结构设计[M]. 北京：化学工业出版社，2001.

［4］ 中国航空研究院. 复合材料结构设计手册[M]. 北京：航空工业出版社，2001.

［5］ 谢鸣九. 复合材料连接[M]. 上海：上海交通大学出版社，2001.

Mechanical Response Characterization of Sandwich Materials in Structural Design

ZHONG Lianbing1，ZHAI Baoli1，LI Bo2
(1．Dongshu New Materials Co.，Ltd.，Deyang 618000，Sichuan Province，China；2．Dongfang Electric(Tianjin)Wind Power Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300462，China)

Sandwich structure is usually used to improve the rigidity and stability of wind turbine blades and nacelle products．This paper takes four-point bending sandwich beam as an example to simulate shell elements，shell and solid elements respectively and compare them with the testing results．It shows that the simulation analysis of using shell and solid elements fit well with test results and this method can more accurately simulate the mechanical behavior of sandwich structure．Therefore，it is an ideal design of composite sandwich structure simulation.

composite material；sandwich material；Finite Element Analysis(FEA)；testing；application

TM315

A

1006-8945(2016)07-0038-04

2016-06-02