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基于非线性本构关系的复合材料风机叶片有限元极限分析与设计

为了研究具有三维复杂构形的复合材料风机叶片的逐次破坏过程和极限承载能力，将复合材料细观

力学非线性本构理论桥联模型与有限元软件 ABAQUS 通过用户子程序 UGENS 结合起来对风力发电机叶

片结构进行极限强度分析。只需提供纤维和基体的材料性能参数、纤维体积含量以及蒙皮和增强筋的铺层

数据包括铺设角、层厚和铺层数，就可预报出复合材料复杂叶片结构的整体承载能力以及叶片破坏所处的

位置，为正确评估和合理设计风机叶片结构提供了一种简便有效的分析方法。本文以一种 20kW 风机叶片

为例，用此方法实现了新型复后材料叶片结构的极限分析

风能是一种清洁的可再生能源，取之不尽、用之不竭。叶片是风力发电机中最主要的部件。目前的大、中

型风机叶片基本上采用蒙皮与主梁的构造形式，须通过多步成型工艺制备，即先分别制作叶片的上、下外

壳和龙骨梁（腹板）后，再粘成一体。由于粘接处的强度远低于壳体本身的强度，使叶壳性能得不到充分

发挥，类似开口薄壁梁远不及闭口薄壁梁的承载能力。单腹板支撑的叶壳易发生失稳破坏，多个梁或腹板

则须增添更多模具。这无疑会增加成本，降低叶片的利用率。因此，本文作者提出采用整体一次成型技术

制备中空叶片，可有效减轻重量，降低成本，提高叶片的整体力学性能。这就需要对这种新型叶片结构进

行极限分析并在此基础上实现合理设计，因为传统叶片以龙骨梁（腹板）为主承力件。

在目前的设计中，叶片的结构参数（蒙皮厚度，腹板厚度、宽度、位置等）一般是通过有限元法(FEM)

分析后决定，直到设计的叶片满足规范。Oh 等人运用复合材料梁理论结合有限元法预测了叶片的静态响应

和无阻尼动态响应。Saravanos 进一步采用梁单元预测了复合材料叶片的有阻尼动态响应。Maheri 运用壳单

元对叶片进行结构划分，并通过考察不同区域的单元密度来考查收敛性并避免应力集中现象。Kong 等运用

有限元法对叶片进行静强度分析，将叶片视作蒙皮-腹板-泡沫芯结构。用壳单元对蒙皮进行离散，用 12 节

点三维“夹心”单元模拟腹板，通过对蒙皮、腹板的厚度设计使整个结构满足叶片设计规范对刚度和强度的

要求。这些分析都是借助有限元软件基于材料线弹性本构关系进行的，并没考虑复合材料的非线性，使叶

片极限承载能力的计算与实际情况存在差异。实际上，复合材料层合板在逐层破坏过程中基体材料表现出

非线性特性,导致层合板的刚度矩阵呈非线性变化。桥联模型充分考虑了基体材料的非线性特性对复合材料

本构方程的影响,将其应用于有限元分析能较好解决上述问题。

1 桥联模型

经典层板理论中，复合材料结构第 k 层的平面应力增量与平面应变增量之间的关系是

其中：G 表示总体坐标，是该复合材料层在总体坐标系下的当前刚度系数。

以往分析都是采用初始线弹性刚度矩阵并在整个加载过程中保持不变，因此会产生计算误差。而复合材

料非线性本构理论—桥联模型为该问题的解决提供了有效途径。

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