基于UMAT的风机叶片复合材料横向微观尺度力学响应分析

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1、第33卷第9期可再生能源Vol.33No.92015年9月RenewableEnergyResourcesSept.2015基于UMAT的风机叶片复合材料横向微观尺度力学响应分析孙耀宁，王艳飞，朱子剑（新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047）摘要：采用随机纤维分布阵列的代表性体积单元（RVE），并根据体积单元整体的受力特性对其边界条件进行设定，通过运行脚本快速有效地施加周期性边界条件。运用Abaqus材料子程序UMAT建立材料的损伤模型，并且通过有限元数值模拟对损伤模型进行了验证，得到了叶片复合材料受到不同横向载荷作用下的微观尺度力学响应，进一步展现了叶片

2、受外载荷影响所引起的微观尺度的破坏趋势。关键词：UMAT；风机叶片复合材料；微观尺度；力学响应；横向行为中图分类号：TK83文献标志码：A文章编号：1671-5292（2015）09-1362-06DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.09.0140引言过对Abaqus用户材料子程序UMAT的运用，主叶片是风机中以复合材料为基础的一类重要要针对叶片中部复合材料建立代表性体积单元，部件。叶片复合材料长期受到载荷作用，内部会出对其在载荷作用下的损伤发展过程与趋势进行一现不同形式的损伤破坏，对复合材料的原有强度定的论证。和刚度产生一定影

3、响。复合材料性质往往决定了1有限元模型的建立[1]，[2]风机的性能和使用寿命。目前广泛应用的风机叶片多是由长纤维增强对叶片材料的破坏过程进行建模分析，学者聚合物基复合材料制造而成。从统计学的角度来们提出了许多分析方法，其中包括基于剪切滞后看，纤维增强复合材料中的增强相在基体中具有的模型，纤维束模型。此外，Aveston提出了基于经周期性的分布特征。基于这种分布特征，研究人员[3]典断裂力学的基体开裂模型。Marshall使用应力假设纤维增强复合材料的微观结构是周期性的，[4]强度方法来决定复合材料中基体开裂应力。以此将复合材料看作是由代表性体积单元Budians

4、ky考虑复合材料中稳态基体裂纹的扩展、（RespectiveVolumeElement，RVE）通过周期性初始基体应力的结果、摩擦能以及潜在能量改变累加而成，来研究复合材料微观结构的各种行[5][8]。在上述模型中，均考虑了裂纹面上纤维的作用为。具体为在有限元分析中，将复合材料看成是和外力的连续重新分布。此后，Wongsto在复合材由RVE周期性扩展累加而成，对复合材料施加均料横截面中，随机干涉初始正方形和正六边形周匀的远场外载荷。对于每一个RVE而言，由于它[6]期分布。Mishnaevsky采用随机顺序吸附产生了们具有相同的阵列形式，所以它们的应力应变场颗粒增

5、强复合材料的2D模型，之后扩展到3D纤是相似的。因此，一个RVE上所表现出来的应力[7]维增强复合材料的UD模型，进行损伤的预测。应变场完全可以体现出复合材料的微观应力应变由于损伤过程的复杂性，到目前为止微观力场。这也就是说，可以将微观力学有限元方法应用学对横向断裂行为的研究侧重于初始损伤的研到一个代表性体积单元上，对一个RVE进行有限究。考虑到叶片中部作为前部到根部的过渡部分，元求解，获得其力学响应以及复合材料的微观变既要考虑空气动力性能，又要考虑材料有足够的化，再根据等效方法最终得到复合材料的整体力[9]刚度，能够承载部分剪切力、挤压力。因此本文通学性能。收稿

6、日期：2015-04-13。基金项目：国家自然科学基金（51465055）；新疆维吾尔自治区自然科学基金（2014211A010）；国家重点实验室开放课题（sklms2014005）资助项目。作者简介：孙耀宁（1977-），女，博士，副教授。主要研究方向为复合材料制备及性能测试，机械产品寿命预测。E-mail：sunyaoning2004@126.com·1362·孙耀宁，等基于UMAT的风机叶片复合材料横向微观尺度力学响应分析在实际的复合材料结构中，纤维的分布是随表1组分材料性能参数Table1Parametersofmaterialproperties机的，并

7、没有规则性可言（图1）。因此，对于长纤维[10]组分模量/GPa强度/MPa泊松比增强复合材料来说具有横向各向异性。经研究得材料E1E2=E3G12=G13G23XT/YnXC/YTXSv12=v13知聚合物基体复合材料的横向本构行为受到增强纤维2251515733502500--0.2体分布形式的影响，是增强体空间分布的函数。基体4.24.21.5671.56769250500.34界面4.24.21.5671.56760200--0.176表中：E1，E2，E3分别为各组分相在x，y，z方向的杨氏模量；G12，G13，G23分别为各组分相在xy，xz和yz方向

8、的剪切模量