变截面纤维增强塑料梁结构的疲劳寿命分析方法.pdf

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1、44变截面纤维增强塑料梁结构的疲劳寿命分析方法2017年1月变截面纤维增强塑料梁结构的疲劳寿命分析方法12牛牧华，陈程(1.无锡太湖学院，无锡214064;2.南京航空航天大学航空宇航学院，南京210016)摘要:研究了一种变截面纤维增强塑料梁结构在风载、惯性作用等综合载荷作用下的疲劳寿命分析方法。MW级水平轴风机叶片是一种典型的变截面纤维增强塑料悬臂梁结构，其外载荷按照IEC61400的相关规定和GL

2、(GermanisherLloyd)规范，利用GHbladed软件对风力机的疲劳工况进行设定和载荷计算并获得疲劳载荷谱。为了解决沿展长和时间不断变化的载荷对求解带来的困难，通过有限元方法获得梁结构任意截面上各点的应力转换矩阵。应力转换矩阵可将无规律的疲劳载荷谱转换为各应力分量的应力谱，通过将应力谱利用雨流计数法进行统计，再根据材料的疲劳S-N曲线和Miner线性损伤叠加原理，即可得到梁结构上任意点的疲劳损伤和疲劳寿命。通过简单算例与商业软件FOCUS的计算结果对比，该方法能更方便地得到任意位置处、

3、任意截面上的多轴向纤维增强塑料结构的疲劳性能，并且表明该有限元-应力转换矩阵方法对于评估变截面的纤维增强塑料梁结构在随机载荷作用下的疲劳性能是一种高效且可靠的方法。关键词:纤维增强塑料;变截面梁;风力机叶片;疲劳;应力转换矩阵中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:1003－0999(2017)01－0044－091引言方法首先要解决的问题是考虑如何按照IEC61400纤维增强塑料由于其较高的比刚度、比强度和或者GL2010的要求得到无规律的时间序列载荷。［8］较好的抗疲劳性能等优越的特性，

4、近二三十年来，在Freebury提出了一种方法，可以将疲劳载荷谱按照航空航天、新能源、汽车、船舶、建筑等行业的应用越损伤等效的原则转换为有规律的等效载荷，该方法来越广。风力发电机由于具有无污染、安装方便快常被用于叶片的初步设计和全尺寸测试。但是正如速、较低的维护成本等优点，预期在未来全世界范围文献［9］所阐述的，由于算法机理的原因，忽略了平内将得到更加迅速的发展。而风力机最大的不足是均应力对结构疲劳损伤的作用，同时将各载荷分量来流风的不确定性，因此，为了在有限的生命周期内对结构的影响进行线性叠加的

5、处理方法并没有考虑尽可能多地捕获风能，稳定而高效的设备是风力机相位角对疲劳结构的影响，因此计算结果的精度难组的关键。以保证。另一方面，进行全尺寸叶片测试是非常费时风力机叶片作为风力机最重要的零部件之一，费力的，在实际工程应用中使用该方法也会受到限［10］其外形是根据空气动力学原理按照捕获风能最大化制。Krenk等将时间历程疲劳载荷转换成Markov的原则设计的，而其内部结构几乎均采用强度高、易矩阵的方法也常用于评估结构的疲劳损伤，该方法成型的纤维增强塑料生产制作而成，属于一种典型是将随机的时间历程

6、载荷按照不同的载荷等级划分的细长的变截面纤维增强塑料梁结构，在风载、惯性为若干区间，每个区间包含了该等级载荷的均值、幅载荷和机械作用等综合载荷作用下，受力较为复值以及作用的循环次数，该方法能较精确地反映单［1］杂。针对MW级风力机叶片在风载下的响应和一载荷分量对结构疲劳损伤的作用，但是如同等效玻璃纤维增强塑料的疲劳力学特性，国内有较多的疲劳载荷，经过载荷转换后，各载荷分量之间丢失了［2-7］研究。风力机按照设计需求，要求其能正常运行实际物理意义上的关联性，对多载荷分量共同作用20年以上的时间，因此

7、需要设计者认真考虑其疲劳的结构进行疲劳分析仍存在不足之处。寿命。目前，对风力机叶片的疲劳性能进行评估主针对上面所提到的传统载荷处理方法的局限要有全尺寸叶片测试和数值仿真两种方法。这两种性，提出了一种针对变截面纤维增强塑料梁结构在收稿日期:2016-07-11基金项目:2015年度无锡太湖学院哲学社会科学和自然科学研究项目(*15WUNS003)作者简介:牛牧华(1986-)，女，硕士，讲师，工程师，主要从事土木工程教学与研究，290696562@qq.com。FＲP/CM2017.No.12017

8、年第1期玻璃钢/复合材料45随机载荷作用下的疲劳损伤评估方法。该方法无须其中:ρ为空气密度;B为叶片数量;r为截面所在位对随机的时间序列载荷进行转换，假设结构在运行置;θ为风轮方位角;C(r)为截面弦长;Cx(r)、Cy(r)期间，材料始终在线弹性范围内工作。基于线弹性分别为当地截面位置的升力系数和阻力系数。的基本假设，并利用有限单元法通过等截面的有限挥舞方向力矩、摆振方向力矩和扭矩如下