风力发电机组复合资料机舱罩结构剖析研讨-机械规划及理论专业论文.docx

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　　中文摘要 中文摘要 重庆大学硕 重庆大学硕士学位论文 I I PAGE PAGE VI 摘 要 机舱罩是风电机组中保护内部零件的大型壳体结构，它接受的载荷杂乱多变， 需求有较高的强度和承载才干；作业环境恶劣，需求较强的耐腐蚀性；设备在塔 筒顶部，需求减轻本身重量，所以机舱罩由复合资料制成。 复合资料的力学特性不同于传统金属资料，不同的铺层办法对机舱罩的结构 强度有很大的影响。因而，对复合资料机舱罩进行结构剖析研讨具有重要的工程 运用价值。 论文对复合资料机舱罩进行铺层办法研讨、强度剖析、失效剖析以及模态分 析，详细研讨内容如下： ① 机舱罩载荷规划核算。核算载荷要归纳考虑机舱罩各个区域的体型系数， 才干准确核算出不同区域的风载荷。一起还要考虑静载荷、活动载荷和冰雪载荷 的不同组合，规划出的工况才更契合实践状况。 ② 机舱罩铺层办法研讨。提出了特别结构的铺层办法：有孔的结构要先铺出 机舱罩的全体结构，然后在需求打孔的当地将剩下的资料切除；双曲率或许多曲 率结构要切分红若干个部分进行独自铺层，并恰当调整铺层开始点，以使剪应力 到达规范要求。并对复合资料铺层份额和铺层次序进行研讨。 ③ 机舱罩静强度剖析。依据机舱罩的结构特色和受载状况，树立有限元模型， 研讨鸿沟束缚和载荷施加办法，对其进行静强度剖析，得到各工况下的最大应力 和应变。标明复合资料机舱罩的强度彻底满意运用要求。 ④ 机舱罩失效剖析。经过算例比较剖析，挑选 Tsai-Wu 原则作为机舱罩的失 效剖析原则，对机舱罩层合板的强度进行了点评，成果标明机舱罩不会发生失效 损坏，并且安全裕度较大，能够进行优化。 ⑤ 机舱罩模态剖析。以机舱罩静强度剖析的有限元模型为根底，核算机舱罩 的固有频率，并与风机叶片、冷凝器和电扇的固有频率作剖析比较，成果标明机 舱罩不会发生共振，动力学功用杰出。 要害词：机舱罩，复合资料，铺层办法，有限元办法，模态剖析 英文摘要 英文摘要 重庆大学硕 重庆大学硕士学位论文 III III PAGE PAGE IV ABSTRACT Nacelle-cover is a large shell structure of a wind turbine to protect the internal parts and components. It bears complex and variant loads thus there is a requirement of high strength and large bearing capacity. Its working condition is very poor so the corrosion resistance ability must be very strong. It is installed on the tower top so it is of great importance to reduce the self-weight of the nacelle-cover. Considered all the requirements above, the nacelle-cover is made up of composite materials. There is a great difference in mechanical properties between the composite materials and the traditional metal materials. The overlay method has a great influence on the structure strength of nacelle. Therefore, the composite nacelle research of structure analysis is of important application value in engineering. Overlay method, strength analysis, failure analysis and modal analysis on composite material nacelle are studied, and the specific research is as follows: ① Load calculation of the nacelle. Only have a comprehensive concern about the shape coefficients of all regions on the nacelle, can the load calculation of the nacelle be correct. Besides, the load-cases design will be more in line with the actual situation if all the static load, active load, snow and ice load, as well as their combinations are concerned. ② Study the overlay method. The layer method for special structure is presented through the study of the composite ratio and the stacking sequence. As for the pore structure, it is necessary to spread out the overall framework of the nacelle, and then remove the excess material. As for the double curvature or curvature structure, it should be divided into several parts to make separate layer, and modify the starting point to make the shear stress meet the specification. ③ Static strength analysis. According to the structural characteristics of the nacelle and load condition, the finite element model is established, and the methods of boundary constraint and load apply are studied, and the static strength analysis of the nacelle is carried out to get the maximum stress and deformation under different working conditions. Results show that the composite nacelle delimitation failure does not occur, and the strength can meet the requirements of application. ④ Failure analysis of nacelle. Select the Tsai-Wu criterion as the failure analysis criterion by the comparative analysis of several kinds of criterion. Laminate strength of the nacelle is evaluated, and the result shows that the nacelle is not failure, whats more, it also have a large safety margin. ⑤ Modal analysis of the nacelle. Get the natural frequency of nacelle based on the finite element model of the static strength analysis. Compared with the natural frequency of the condenser, blade and fan, the result shows that resonance will not occur and the nacelle has a favorable dynamic performance. Key Words: Nacelle-cover, Composite Materials, Overlay Method, Finite Element Method, Modal Analysis 目录 目 录 重庆大学硕 重庆大学硕士学位论文 V V PAGE PAGE VI 目 录 中文摘要I 英文摘要 III 1 序言 1 1.1 课题研讨的布景 1 1.2 复合资料在风电机组中的运用现状及远景 2 1.2.1 复合资料在风电机组中的运用现状 2 1.2.2 复合资料在风电机组中的运用远景 3 1.3 课题研讨的内容和含义 4 1.3.1 课题研讨的内容 4 1.3.2 课题研讨的含义 5 2 复合资料力学理论 7 2.1 复合资料的根本介绍 7 2.1.1 复合资料的界说 7 2.1.2 玻璃钢 7 2.2 复合资料的力学特性 8 2.2.1 复合资料力学剖析的根本假定 9 2.2.2 各向异性弹性体的应力—应变联络 10 2.2.3 复合资料的力学特性模型 12 2.3 本章小结 18 3 复合资料机舱罩的铺层办法研讨 19 3.1 复合资料剖析软件介绍 19 3.2 MD Patran 软件中的铺层办法 20 3.3 特别结构复合资料铺层办法研讨 22 3.4 复合资料铺层份额和铺层次序研讨 24 3.5 本章小结 27 4 复合资料机舱罩强度剖析 29 4.1 有限元办法及软件的介绍 29 4.2 机舱罩几许模型及有限元剖析模型 31 4.2.1 单位及坐标系 31 4.2.2 几许模型 32 4.2.3 有限元模型 32 4.3 机舱罩载荷剖析核算 33 4.3.1 风载荷 33 4.3.2 静载荷 35 4.3.3 活动载荷 35 4.3.4 冰雪载荷 35 4.4 鸿沟束缚与工况设置 35 4.4.1 鸿沟束缚 35 4.4.1 工况设置 36 4.5 成果剖析 36 TOC \o 1-1 \h \z \u HYPERLINK \l _TOC_250004 wind_front 工况 36 HYPERLINK \l _TOC_250003 wind_left 工况 39 HYPERLINK \l _TOC_250002 wind_right 工况 42 HYPERLINK \l _TOC_250001 wind_back 工况 45 HYPERLINK \l _TOC_250000 live_load 工况 47 4.6 本章小结 50 5 复合资料机舱罩失效剖析 51 5.1 各向异性资料的强度原则 52 5.2 失效剖析算例 54 5.3 机舱罩失效剖析有限元模型 55 5.4 失效剖析及成果 56 5.5 本章小结 58 6 复合资料机舱罩模态剖析 59 6.1 振荡剖析理论 59 6.2 机舱罩模态剖析有限元模型 60 6.3 机舱罩模态剖析成果 61 6.4 本章小结 65 7 定论与展望 67 7.1 定论 67 7.2 展望 67 致 谢 69 参阅文献 71 附 录 75 A. 攻读硕士学位期间所宣布的论文 75 B. 攻读硕士学位期间参加的课题研讨 75 1 1 序言 重庆大学硕 重庆大学硕士学位论文 PAGE PAGE 13 PAGE PAGE 10 1 绪 论 1.1 课题研讨布景 当今的年代，是一个“动力消费年代”，动力正在以惊人的速度许多耗费，但 是，探明的新的石油储量却显着大幅下降。跟着石油、煤炭、天然气等惯例动力 的供给日趋严峻及其所带来的环境问题日趋严峻，开展清洁动力和可再生动力成 为了全球动力开展的主导趋势。 清洁动力和可再生动力的品种较多，首要包含核能、水能、风力能、太阳能、 沼气能、潮汐能、生物能和地热能等。在许多可再生动力中，水力发电会遭到地 理方位和时节的束缚，核能发电对环境污染成果比较严峻，太阳能和地热能发电 的电量比较小。而风能作为公认的取之不尽、用之不竭的可再生清洁动力，因其 无污染、蕴量大、散布广、施工周期短等特色而得到高度注重和大力推广，是目 前停止最适合大规模开发的动力之一。 实验标明，风力发电机组的发电才干每增加一倍，其本钱就会下降 15%[1]，跟 据联合国对新动力和可再生动力的点评，到 2020 年，风力发电本钱可降到 3 美分 /千瓦时及以下[2]。并且，在上述各种新动力运用范畴中，风力发电是理论根底和 实践技能最老练、大规模开发条件最充沛、商业远景最宽广、经济优势最显着的 发电办法之一[3]。所以，风力发电成为代替惯例火力发电的首选办法。此外，风能 还被广泛运用在地下提水、农业灌溉、船只助航、风能供热等工。 我国的风能资源仅次于俄罗斯和美国，位列国际第三。我国气候科学研讨院 的 900 多个气候站对陆地上离地 10m 高度的风能资源进行预算，全国均匀风功率 密度为100W / m2 ，风能资源总储量约 32.26 亿 kW，陆地上可开发和运用风能储量 有 2.53 亿 kW，近海可开发和运用的风能储量有 7.5 亿 kW，合计约 10 亿 kW[4-5]。 由此可见，我国风能资源丰富，开发潜力巨大，必将成为未来动力结构中一个重 要的组成部分。 据报道，到 2012 年末，以我国、美国和德国为首，全球新增风电装机 4471 万千瓦，在近三年坚持 4000 万千瓦左右的增加，风电累计并网装机容量到达 2.82 亿千瓦，全球风电工业开端进入平稳开展阶段[6]。截止到 2012 年，我国以累计风 电并网装机容量 6300 万千瓦，新增风电并网装机容量 1500 万千瓦的成果位居世 界榜首[7-8]。 可是，在这样飞速开展的光环下，并不能掩盖我国风力发电机组设备研讨技 术呈现瓶颈这一现实。关于风电机组要害零部件的结构剖析技能，咱们仍是只能 经过购买国外的技能资料进行反求规划，这种办法本钱巨大，简略呈现过错，计 算时刻过长，并且不能真实研讨要害零部件的细节规划。这样大略的研讨成果， 既得不到国际认证组织的认可，也不能真实促进我国风电技能的科研前进。 比较于其他风力发电机组零部件，现在关于机舱罩的结构剖析研讨比较少， 也没有共同和完善的机舱罩的制作规范，许多出产厂家缺少对机舱罩的深化了解， 其质量要求仅限于外表的要求，导致机舱罩产品的质量良莠不齐。 机舱罩作为防护结构，其首要效果是确保机组正常运转，削减风机运转阻力， 延伸机组运用寿数，并且为设备与保护人员供给必要的操作空间。因为长时刻遭受 自然界雨雪、风力和日光等的侵袭，机舱罩的运用环境非常恶劣，故对其各部零 件的强度和刚度的要求比较高，要有耐候性、抗腐蚀性、抗温差性、抗老化性、 抗疲惫性、抗紫外线辐射。一起考虑到整个风电机组的承重，其质量也需求进行 严格操控，要求机舱罩重量轻、强度高、承载才干大。别的还要求机舱罩经济安 全、设备快捷，外表漂亮。因而，机舱罩作为风电机组的重要零部件之一，应该 是研发进程中至关重要的环节，得到整机厂商的注重和投入。 1.2 复合资料在风电机组中的运用现状及远景 1.2.1 复合资料在风电机组中的运用现状 近几十年来，复合资料飞速开展，极大地推动了科学技能的开展。从开端的 微观复合资料，如水泥与砂石、钢筋混合而成的混凝土，到随后新式的微观复合 资料，如聚合物基、金属基和无机非金属资料基复合资料，各种新式复合资料如 漫山遍野般呈现，广泛运用于航天航空、轿车、修建等范畴。 而跟着风电工业的敏捷开展，风电配备作为风电工业的中心，遭到越来越广 泛的注重，其质量和功用直接影响到风力机对风能的运用功率[9]。因为对刚度的要 求比较大，惯例的风力机资料都选用钢材，但这使得风力机质量过于巨大，不便利 运送、吊装和修理。此外，风力发电机组的作业环境经常会遇到比较恶劣的气候 条件，如低温、高温、飓风、沙尘、盐雾、附冰等，极端简略遭到环境的腐蚀和 损坏，然后达不到预订的规划寿数。现在，跟着复合资料技能的日新月异，新式 复合资料在风力机零部件上的运用开端得到广泛的注重，尤其是在叶片、机舱罩 以及导流罩上的运用[10-11]。各大国际闻名的复合资料设备商竞相参加风能范畴， 为叶片、机舱罩和导流罩的制作商供给支撑。复合资料风能产品出产制作现已成 为复合资料职业非常重要的工业之一。 叶片是风电机组有用捕获风能的中心部件，占整个风力发电设备本钱的20％ 左右，制作叶片的资料和工艺对其本钱存在决议性效果，资料的挑选和制备工艺 优化对风力发电机的本钱操控非常重要。叶片的捕风才干和功率与叶片的形状、 尺度、重量以及外表积有着非常亲近的联络，而叶片的资料是束缚叶片形状尺度 的重要要素，假如资料越轻、强度和刚度越高，叶片抵挡外界载荷及本身重量的 才干就越强，叶片就能够做得越大，捕风才干也就越强[12-13]。因而，轻质量、高 强度、高耐性的复合资料在大型风力发电机叶片的制作中得到了非常广泛的运用 [14]。现在国际上大多数的叶片都是选用玻璃钢复合资料制作。早年，我国只把握 了750kW 以下的风机叶片的工业化出产才干，近几年，经过引入国外先进技能， 国内已有多家具有1.5MW风机叶片工业化出产才干的企业。 导流罩是保护轮毂和内部传动体系和变桨体系的壳体结构，其流线型的结构 对风有着杰出的导向效果，能够在必定程度上削减紊流风的构成，使叶片能够更 加高效有利地势风能[15]。因为导流罩的首要效果是保护而非传递载荷，并且设备在轮 毂前端，在下降它的本身重量的一起，确保满意的抗压抗变形才干，一般需求用 轻型复合资料制作。 机舱罩是一种大型壳体结构，其配套零件多，且造型杂乱。以 MW 级风电机 组机舱罩为例，其外形尺度为长 7-10m，宽 3-4m，高 4m[16]。这样的尺度进行全体 成型制作比较困难，故需求将机舱罩区分红多块壳体结构独自成型，再进行拼装。 在拼装时，先将要害零部件设备在主机架上，再将机舱罩主壳体挂在主机架上， 最终将剩下壳体与主壳体经过螺栓联接整合。 机舱罩的首要效果是保护发电机、传动体系、操控体系等要害零部件[16]。同 时，考虑到机舱罩作业环境恶劣，机舱罩需求有耐候性、抗温差性、抗疲惫性、 抗老化性、抗腐蚀性、抗紫外线辐射等。又考虑到机舱罩的首要效果是保护内部 零部件而非传递载荷，并且设备在塔筒顶部，其所受载荷首要是自重和风载等部 分外部载荷，需求对其质量进行严格操控，不只要求机舱罩重量轻、强度高、承 载才干大，还要求其经济安全、设备快捷。归纳上述考虑，因为比重小，比强度 和比模量大，防锈防腐蚀等长处，复合资料就成了风机机舱罩的最佳选材。 风电机组机舱罩选用的是玻璃钢，其密度介于 1.5~2 之间，仅为铝合金的 60％， 并且玻璃钢能够具有全体成形，这样就大大节省了不同零部件之间衔接时运用的 铆钉、螺桂等紧固件的数量，使机舱罩结构的质量削减 20％左右。机舱罩主体采 用玻璃钢夹层结构，夹芯以泡沫为主，假如某些区域需求打孔来设备附件，用密 度较大、硬度较高的资料代替泡沫夹芯。机舱罩衔接法兰和开口处强度要求比较 高，选用全玻璃钢结构。机舱罩内部的纵、横加强筋是为了增加罩体的强度和刚 度。 1.2.2 复合资料在风电机组中的运用远景 依据 GWEA《国际风电展望 2008》我国际动力署对全球动力商场潜力的剖析 猜测，在保存估量的情形下，风电工业在 2030 年将占到全球电力供给的 5%，到 2050 年到达 6.6%。而在达观的情形下，这个份额将高达 29.1%和 34.2%[17]。并且， 海优势电也在迅猛开展，加上海上环境愈加恶劣，风电机组的制作对资料耐潮耐 腐蚀功用要求将会更高，这就给复合资料的开展和运用带来巨大空间。到 2020 年， 仅欧洲海优势电开发就将带来每年 20 亿英镑的复合资料商场[18]。 此外，无论是陆优势电仍是海优势电，风电配备的大型化现已成为风力发电 开展的必然趋势。风力发电所用的机组容量越大，与之配套的复合资料叶片的长 度就越长。丹麦的 LM 公司现已研发了 61.5 米以上的复合资料叶片，成为国际最 大的复合资料叶片[19]制作商。而我国某企业也与国际闻名风电职业巨子丹麦 Vestas 协作，研发了 7mw 海优势电机舱罩，此机舱罩长度 16 米，宽度和高度达 9 米。 因为风电商场竞争越来越剧烈，各大厂商为了占有和稳固商场方位，除了提 高本身的产品质量和服务外，更是运用价格战来揉捏对手以获取商场份额和生计 空间，使得整个风机商场的整机价格从 6000 元/千瓦下降到 4000 元/千瓦乃至以下， 许多企业因而被筛选出局。而整机的价格下降必然会使其上下游配件收购价格降 低，2011 年某企业内部机舱罩产品的价格就下降了 10%以上[20]，这就要求机舱罩 的出产本钱有必要减缩，使企业能够在确保合理赢利的前提下进步价格竞争力。因 此，进步对风力发电机组机舱罩构强度重要性的知道，自主研讨和把握机舱罩结 构规划剖析的理论和办法，完成机舱罩结构的优化，一起脱节对国外技能的依靠， 是我国风电企业和科研作业者需求处理的严峻难题。 此外，因为资料、核算、出产等多方面的要素的影响以及对国外技能的依靠， 我国机舱罩的规划制作成为一个难点。现在兆瓦级风力发电机组的机舱罩都选用 的是玻璃钢结构规划，依据各向异性资料进行建模、核算和模仿，中心往往选取 很大安全系数，导致机舱罩的质量显着增加，阻隔效果却并不抱负。并且，玻璃 钢最大的缺陷是简略变形，所以怎么有用操控机舱罩这样的大型壳体结构的变形 并加以量化，是进步产品质量的一个难点。此外，关于机舱罩的制作，国内现在 没有共同的国家规范，资料功用、载荷剖析和制品要求等一般都是参阅国外船级 社的规则，这严峻限制了新产品的规划开发。 复合资料在风力发电机组中的运用空间对错常宽广的。跟着风电工业的敏捷 开展，玻璃钢复合资料风力机叶片、导流罩和机舱罩的出产将是一个具大的工业。 咱们应该抓住机遇，在吸收国外先进技能的根底上，进行二次开发和自主立异， 进步本身科研才干与出产水平，构成规模化出产才干，使玻璃钢复合资料在新能 源开发中发挥更大的效果。 1.3 课题研讨的内容和含义 1.3.1 课题研讨的内容 论文以某企业兆瓦级风力发电机组机舱罩为研讨方针，依据机舱罩的用处、 结构及特性，对复合资料机舱罩进行了载荷规划核算、铺层办法剖析、静强度分 析、失效剖析和模态剖析，首要研讨内容如下： ①机舱罩载荷规划核算。依据 GL 规范和德国风载荷规范(DIN-1055-4) 给出 的风载荷核算办法，归纳考虑机舱罩不同区域的体型系数，核算出机舱罩在不同 区域的风载荷。依据核算得到的机舱罩所受的静载荷、活动载荷、冰雪载荷，总 结了第三类风区机舱罩载荷的核算办法，为机舱罩的强度剖析供给工况规划依据。 ②复合资料机舱罩铺层办法研讨。依据机舱罩的结构特色、各个部分的不同 功用以及机舱罩的实践出产工艺，对不同区域的铺层办法进行了研讨。例如先铺 出机舱罩的全体结构, 然后在需求打孔的当地将剩下的资料切除；关于双曲率或许 多曲率的部分，将其切分红若干个部分进行独自铺层，并恰当调整铺层开始点， 以使剪应力到达规范要求。 ③ 机舱罩静强度剖析。依据机舱罩的结构特色和受载状况，挑选适宜的单元 类型树立机舱罩有限元剖析模型，研讨机舱罩模型的鸿沟束缚条件和载荷施加方 法，对机舱罩进行静强度剖析，并依据剖析成果对机舱罩进行强度点评。 ④ 机舱罩失效剖析。剖析复合资料失效的各种办法，总结了各向异性资料的 强度理论，经过算例证明常用的几种强度理论在失效剖析中的差错巨细。挑选 Tsai-Wu 失效原则对机舱罩进行失效剖析。 ⑤ 机舱罩模态剖析。依据振荡根本理论树立了机舱罩振荡方程，以机舱罩静 强度剖析的有限元模型为根底, 除掉其间施加的载荷, 增加表征资料质量特征的 密度特色，核算出机舱罩的固有频率，经过机舱罩的固有频率和模态振型图，直 观地剖析了复合资料机舱罩的动态特性，并别离与风机叶片、冷凝器和电扇的固 有频率作剖析比较。 1.3.2 课题研讨的含义 机舱罩的受力研讨其实首要便是风对机舱罩的效果力问题。机舱罩的受力比 较杂乱，简略来说首要便是效果在机舱罩上的载荷，即空气阻力载荷，以及效果 在机舱底座上的载荷，即由风轮体系传递的载荷外和机舱内传动体系传递的载荷。 经过研讨风机周围的空气流场，研讨效果在风机上的气动力和力矩，依据研讨结 果来进步风机的功用，优化机舱罩造型。因而，为削减空气阻力，要求机舱罩表 面润滑，各衔接板面的过度油滑，机舱罩外形呈流线型。 论文对复合资料机舱罩的铺层办法、结构强度以及模态进行剖析，其间提出 的针对特别结构的铺层办法能够全面反映复合资料的力学功用和受力特色，并且 与机舱罩的实践出产状况共同，在削减建模和核算时刻的一起，也使其核算精度 彻底满意工程需求，然后确保剖析的准确性。而结构强度剖析的成果也为机舱罩 的前期规划供给了一些参阅和依据，在确保机舱罩满意强度要求和正常作业的前 提下，能够下降机舱罩的铺层厚度，完成出产本钱的减缩，使企业能够在确保合 理赢利的前提下进步价格竞争力。模态剖析核算所得的机舱罩的固有频率和模态 振型图，直观地剖析了复合资料机舱罩的动态特性，为机舱罩的动力学规划供给 理论依据。 加强对风电机组机舱罩结构剖析重要性的知道，脱节对国外技能的依靠，制 定共同规范的机舱罩制作规范，加大科研投入、加强学术交流，进步我国自主研 究复合资料机舱罩的剖析办法，是我国风电职业和科研作业者的尽力方针。论文 的研讨内容对我国大型风力发电机组机舱罩的结构剖析和自主规划起到探究和指 导效果。 2 2 复合资料力学理论 重庆大学硕 重庆大学硕士学位论文 2 复合资料力学理论 2.1 复合资料的根本介绍 2.1.1 复合资料的界说 复合资料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的资料，经过物 理或化学的办法，在微观上组成具有新功用的资料[21]。其间各种资料在功用上互 相扬长避短，发生协同效应，使复合资料的归纳功用优于每种单一原组成资料， 然后满意各种不同的要求。例如，单一的玻璃纤维，尽管强度很高，可是因为纤 维间是松懈的，所以它只能接受拉应力而不能接受曲折、剪切和压应力，也不能 做成固定的几许形状。假如把合成树脂和它们粘合在一起，就能做成各种具有固 定形状的坚固制品，既能接受拉应力，又可接受曲折、剪切和压应力。 复合资料首要是由基体与增强资料组成，其间基体分为铝、镁、铜、钛及其 HYPERLINK /view/101949.htm 合金的金属基体和 HYPERLINK /view/45332.htm 合成树脂、 HYPERLINK /view/45797.htm 橡胶、陶瓷、碳等非金属基体。增强资料则首要有 玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等[21]。增强资料一般需求 有比基体资料高至少2~3倍的弹性模量，有比较高的拉伸强度，能较好地与基体材 料结合。 基体与增强资料之间经过所构成界面的性质和强度来彼此效果[22]，其彼此作 用的办法、界面的性质对复合资料的力学功用有着非常重要的影响[23]。界面粘接 越结实，复合资料的刚度和强度也就越强，横向和层间的拉伸强度和剪切强度以 及弹性模量和剪切模量也越高。 2.1.2 玻璃钢 在各种复合资料中，树脂基复合资料占有整个复合资料用量的 90%以上[24]。 而在这些树脂基复合资料中，又以玻璃钢用量最大，运用最为广泛。在风力发电 机组设备中，叶片、机舱罩、导流罩结构都是用玻璃钢资料制成的。 HYPERLINK /htm/jczs1.htm 玻璃钢（GFRP，Glass-Fiber Reinforced Plastic），学名玻璃纤维增强塑料。它 是以合成树脂作基体资料，玻璃纤维及其制品作为增强资料而构成的一种复合材 料[25]。其根本功用和长处如下： ①比强度高 比强度是指强度与密度之比，也便是说，在相同强度条件下，这个比值越高， 资料的质量越轻。现实上，玻璃钢的相对密度在 1.5~2.0 之间， HYPERLINK /view/647303.htm 只要碳钢的 1/4~1/5， 可是比 HYPERLINK /view/91950.htm 强度却挨近乃至超越碳素钢[25]。所以用玻璃钢制成的机舱罩，既减轻了自 身的重量，一起也确保了满意的抗压抗变形才干。 ② 抗疲惫功用好 疲惫损坏是指资料在交变载荷下，因为裂纹的发生和扩展导致的资料失效[26]。 一般，金属资料的疲惫损坏往往是由内向外逐步开展构成的，事前没有任何预兆。 而玻璃钢的疲惫损坏是从资料最单薄的环节开端，再逐步扩展，一般会有比较明 显的预兆[27]，并且，玻璃纤维与树脂基体之间的界面能有用阻地止裂纹扩展。实 验标明，大多数金属资料的疲惫极限是其拉伸强度的 30-50%，而玻璃钢则高达 70-80%[28]，可见玻璃钢有较高的耐疲惫特性，一般能够满意机舱罩的规划运用寿 命。 ③ 减振功用好 玻璃钢中的玻璃纤维与树脂基体界面之间有吸振才干，其粘弹性和摩擦力又 能使一部分动能转化为热能，此外，纤维增强资料的阻尼比钢及其合金的阻尼大， 所以振荡阻力比较高，能够防止共振而发生的损坏。 ④ 损坏安全功用好 玻璃钢中有许多的独立玻璃纤维，每平方厘米上的纤维有几千乃至上万根[29]。 当玻璃钢构件超载并呈现少数纤维开裂时，载荷能够敏捷重新分配在未损坏的纤 维上。一起，已发生开裂的纤维在小段部分能够持续发挥效果。因而在短时刻内 不至于使整个构件损失承载才干，然后防止风机崩塌等事端的发生。 ⑤ 成型工艺功用好 玻璃钢的成型办法有许多种，比方手糊法、环绕成型法、拉拔成型法和模压 成型法等制作工艺[30]。并且，玻璃钢在制作进程中没有许多的切开，质料损耗较 少。因而，玻璃钢简略制成各种形状杂乱的部件，例如机舱罩这种大型壳体结构。 ⑥ 耐化学腐蚀性好 玻璃钢是杰出的耐腐资料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油 类和溶剂都有较好的反抗才干。风力发电机组的作业环境一般比较恶劣，如低温、 高温、飓风、沙尘、盐雾、附冰等，很简略遭到环境的腐蚀和损坏，而选用玻璃 钢制作的机舱罩保护能够保护内部发电机、传动体系、操控体系等要害零部件， 延伸机组的运用寿数。 ⑦可规划功用好 基体资料和增强资料有着各不相同的功用，所以能够经过调整玻璃钢的成分 份额和铺层办法，得到不同的强度、刚度、热、电等功用指标，然后满意不同的 运用条件和环境要求。 2.2 复合资料的力学特性 一般以为金属资料是各向同性并且均匀的，能够用资料力学和弹性力学进行 受力剖析，并用资料实验机测定资料的功用。这些办法对玻璃钢等复合资料尽管 有用，但同传统资料比较，复合资料有自己共同的力学功用特色 [31-32]。 ① 各向异性 各向异性是复合资料最显着的特征之一。不同的资料几许(如资料的形状、分 布、含量)以及铺层办法（如各单层的厚度、铺层方向、铺层次序）会发生不同的 复合资料结构，在弹性常数和线膨胀系数等方面就会呈现不同程度的各向异性。 那么关于结构在外力效果下的强度、刚度，安稳性和振荡等力学问题的研讨理论、 办法、公式等都将与传统资料不同。 ② 不均匀性和某种程度的不接连性 单层复合资料是由纤维和基体复合而成的，不同单层之间存在不均匀性，再 加上单层资料和铺层方向的不同，沿厚度方向也存在不均匀性。此外，复合材中 存在的裂纹、脱层、界面结合不完善、纤维开裂和空地等，会导致部分的位移、 应力和应变不接连。这种不均匀性和不接连性使复合资料的力学问题变得非常复 杂。在一般的剖析中，都选用均匀和接连的假定，使得问题得到简化，但剖析结 果或许会有差错。 ③ 几许非线性和物理非线性 上文中说到，复合资料具有比强度高和抗疲惫性好等长处，因而一般做成薄 壳办法的轻结构。例如风电机组的机舱罩和导流罩。因为强度大，复合资料的薄 壳结构在横向载荷的效果下，能够发生较大的变形，然后发生非线性曲折问题， 需求选用非线性安稳理论进行研讨。 2.2.1 复合资料力学剖析的根本假定 实践工程中的复合资料结构构件功用非常杂乱，求得其应力和应变的理论解 比较困难，所以一般选用数值剖析办法，例如有限元法、差分法等对构件进行数 值模仿剖析和求解，在剖析进程中，需求作如下根本假定： ① 层合板是接连的 疏忽复合资料构件内部的裂纹、脱层、界面结合不完善、纤维开裂和空地， 以为各铺层都是直接衔接和严密贴合的。选用接连性假定，能够使问题得到简化， 将接连性、极限以及微积分等数学东西运用于复合资料的力学剖析中。 ② 单层板是均匀的 单层板中任何一点的力学功用，在给定的坐标系下都是彻底相同的。不考虑 资料之间和各铺层之间的微观结构效应，而只考虑单层板的微观均匀功用。关于 层合板，假定在同一铺层内是均匀的，但各个不同铺层方问的层，在同一坐标系 内单元体的力学功用是不同的，所以层合板是分段均匀的。 ③ 单层板是正交各向异性的 单层板具有一对相互笔直的弹性对称面，对称面的笔直方是为资料的主方向。 层合板是各向异性的，当坐标方向与资料主方向重合时是正交异性的，当坐标方 向与资料主方向不重合时，是各向异性的。 ④ 层合板是线弹性的 层合板在外力效果下发生的变形与外力成正比联络，并且当卸去外力后，层 合板能够彻底恢复原状。 ⑤ 层合板的变形很小 假定层合板的变形远小于板厚，能够按层合板的原始尺度和形状进行构件的 平衡、运动、内部受力和变形等问题的剖析和核算。 2.2.2 各向异性弹性体的应力—应变联络 从微观的力学视点动身，一般将复合资料看作是接连和均匀的各向异性弹性 体。在细小线弹性变形条件下，各项同性弹性体和各向异性弹性体的力平衡微分 方程和几许联络表达办法是相同的[33]，其本质区别是各自的物理联络，即应力-应 变联络的不同，各向异性弹性体的应力-应变联络要比各项同性弹性体杂乱得多。 也便是说，在核算各向异性弹性体的小变形、线弹性问题时，其根本方程都与各 向同性弹性体的相同，可是需求修正应力-应变联络。 在外载荷的效果下，弹性体发生变形，在其间恣意一点邻近取一个细小的六 面体单元，这个单元体各个外表上的应力就代表了这一点的应力状况： ???x ??xy ??xz ? ? ? ??????????yx ???zx ??y ??zy ??yz ? ??z ? (2.1) ? ? 其间，??xy =??yx ,??xz ????zx ,??yz ????zy 。 这一点的应变状况为： ????x  xy xz ?? ?? ? ? ? y ??? y ? ?? ?????? yx ? yz ? (2.2) ?? ? ? ????zx zy ??z ?? 其间， ??x ， ??y ， ??z 别离为线应变； ??xy ， ??yz ， ??zx 别离为张量剪应变。 在小变形条件下，假定这一点在平行于 x, y, z 轴的位移别离是 u, v, w ，则得到 应力-应变几许联络方程为： ? ?u ???? ???x ?x ? ?? ???v ? ???y ?y ? ?? ???w ? ????z ?z ? ?? ???w ???v  (2.3) ???yz ? ?y ?z ?? ???u ???w ???zx ? ?z ?x ?? ???u ???v ????xy ?y ?x 这些应变重量需求满意应变和谐方程： ???2? ?2? ?2? ? x ? y ? xy ???y2 ???2? ?x2 ?2? ?x?y ?2? ? y ? z ? yz ???z2 ???2? ?y2 ?2? ?y?z ?2? ? z ? x ? xz ???x2 ?z2 ?z?x ???????? ?? ?? ?  ?2? (2.4) ????? xz ? xy ? yz ????2 x ???x ????y ?z ? ?x ? ?y?z ?????? ?? ?? ? ?2? ? xy yz y ? ? ? zx ????2 ????y ?z ? ? ?x ?y ? ?z?x ???????? ?? ?? ? ?2? xy? ? yz ? xy zx ? ????2 z ????z ????x ?y ?z ? ?x?y 依据力平衡原理，应力重量应满意平衡方程： ?????x ????x ? ?????yx ????x ? ?? ?? zx ????xy ? ?y ?????y ? ?y ???zy ???xz ?z ???yz ?z ???z ??2u ??fx ??? 2 ?t ??2v ??f y ??? 2 ?t ??2 w f  (2.5) ? ? ? ? ????x ?y ?z z ??? ?t 2 为了简化问题，假定各项异性弹性体为均质接连的，其应力水平在线弹性范 围之内，那么应力重量与应变重量将呈线性联络，满意广义虎克规则[34]，应力-应 变本构联络方程为[35]： ???x ? ?C11 C12 C13 C14 C15 C16 ?????x ? ? ? ? ??? ? ???y ? ?C21 C22 C23 C24 C25 C26 ?????y ? ???z ? ?C31 ? C32 C33 C34 C35 C36 ?????z ? ? ? ? ??? ? (2.6) ???yz ? ???zx ? ?C41 ?C51 C42 C52 C43 C53 C44 C54 C45 C55 C46 ?????yz ? C56 ?????zx ? ? ? ? ??? ? ????xy ?? ??C61 C62 C63 C64 C65 C66 ???????xy ?? 该方程可简写为：???????C?????，?C ??为刚度矩阵，是对称矩阵，有 21 个独立 变量。 2.2.3 复合资料的力学特性模型 要对复合资料进行力学剖析，就要树立能够用数学办法和力学办法表达的分 析模型来代替实践的复合资料模型。关于玻璃钢复合资料，能够分为单层资料、 叠层资料和复合资料结构。 ① 单层资料 单层资料是一种单向复合资料，其纤维依照同一方向规整摆放，如图 2.1 所示。 图 2.1 单层复合资料的结构办法 Fig.2.1 Monolayer structure 其间，X 方向为沿着纤维的方向，Z 方向为与纤维笔直的方向，Z 方向为与 XY 平面笔直的方向。因为单层资料很薄，因而 Z 方向的尺度比 X 和 Y 方向的尺 寸小得多。在单层复合资料层中，X 方向的功用(即纵向功用，首要由纤维决议) 和 Y 方向的功用（即横向功用，首要由基体决议)相差很大，构成了正交各向异性 功用。 单层资料处于平面应力状况，其内部恣意一点不为零的应力重量只要 3 个， 即 XY 平面内的正应力 ??X ，?Y 和剪应力??XY ，如图 2.2 所示。 图 2.2 单层内任一点的应力状况 Fig.2.2 Point stress state 资料的面内应变为：  ???X ?  ?S1 1  S 1 2  0 ?????X ? ? ? ? ??? ? ??Y ?????S2 1 S 2 2 0 ????Y ? (2.7) ????XY ?? ???0 0 S66 ???????XY ?? 式中 Sij (i, j ??1, 2, 6) 为柔度系数，与工程弹性常数之间的联络如下： S ???1 E X S ??S  E?????XY E  E????YX E 21 X Y S S ? E22 E Y S ????1 66 G  (2.8) XY 式中， EX , EY ,??XY ,?YX ,GXY 别离标明单层资料的面内拉压弹性模量，泊松比和 剪切弹性模量，它们经过实验测得到，称为单层资料的五个工程弹性常数。 对式 2.8 进行逆运算，得到应力-应变联络： ???X ? ?Q1 1 Q 1 2 0 ??????X ? ? ? ? ??? ? ??Y ?????Q2 1 Q 1 1 0 ?????Y ? (2.9) ??0 0??XY ? Q66 ?????XY ? ? 0 0 ? ? ? ??? ? 式中， Qij (i, j ??1, 2, 6) 为二维单层的折算刚度系数，即退化刚度系数[36]，与工 程弹性常数之间的联络如下： ②叠层资料  Q11 Q12 Q66 ? E 1???2 ?????E 1???2 ? E 2(1???)  (2.10) 叠层资料是由各单层资料沿 Z 向叠合而成的多层复合资料，如图 2.3 所示。 图 2.3 叠层复合资料的结构办法 Fig.2.3 Laminated board structure 其间，X 代表水平方向，Y 代表与 X 笔直的方向，Z 代表与 XY 平面笔直的 方向，l 代表在 XY 平面内沿着纤维的方向，它与 X 轴构成一个偏置角 ?k ，图中 箭头指的是它的正方向（逆时针为正方向）。由图可知，层叠资料的铺层办法首要 由四个几许要素决议：总层数 n ，各层的纤维偏置角 ?k ，各层的厚度 hk 和各层的 摆放次序。 假定笔直于中面的法线，在层合板受力曲折变形后仍坚持直线并笔直于变形 后的中面 ， 层合板中恣意一点的位移分 量为 u ??u ??x, y, z ??， v ??v ??x, y, z ??， w ??w??x, y, z ??，则得到： ? ?w ????z ???z ??0 ? ? ?u ?w ???zx ? ? ??0 ? ?z ?x (2.11) ? ?v ?w ????zy ???z ???y ??0 ? 依据应变和位移的联络，将式 2.11 对 z 积分，得到层合板内应变为： ? ?w ??w(x, y) ??? ????? ? u u z ?w( x, y)  (2.12) ? 0 ? ?v ??v  ?x ??z ?w( x, y) ?? 0 ?y ? 式中 u0 、 v0 、 w 为 XY 平面的位移重量，是 x 、 y 的函数。 w 称为挠度函数。 将式 2.12 带入几许方程 2.3 得到： ? ?? ? ? ?? ?u0 ??z ?2 w(x, y) x ? ? ???y ? ?x ???v ? ?y ?x ?v0 ??z ?y ?x2 ?2 w(x, y) ?y2 ? ?w ????z ???z ??0 ? ? ?w ?v (2.13) ???yz ? ? ??0 ? ?y ?z ? ?u ?w ? ?? ? ??0 ? ? zx z x 0? ? ? 0 ? ?u ?v ???u ?v ? ?2 w(x, y) ?? ? ? ??? 0 ? ????2z ????xy ?y ?x ???y ?x ? ?x?y 在 XY 坐标系中，第 k 层的应力应变联络为： ???x ? ???x ? ?Q11  Q12 Q16 ? ???x ? ? ? ? ? ? ???? ? ???y ? ??[Q]k ???y ? ???Q12 Q22 Q26 ? ???y ? (2.14) ? ? ? ? ? ???? ? ???xy ?k ???xy ?k ?Q16 Q26 Q66 ?k ???xy ?k 其间 Q11 、 Q12 、 Q22 、 Q66 为??的偶函数， Q16 、 Q26 为??的奇函数。 在 x、y 为常量的横截面上，假定恣意单元的合力为 Nx 、 Nxy 、M x 、M xy ，合 力矩为 N y 、N yx 、M y 、M yx ，由各铺层的应力沿着层合板厚度方向 Z 轴积分得到： ?Nx ? ???x ? ? ? ?N y ????? h/2 ? ? ???y ??dz ? ? ?h/2 ? ? ?Nxy ? ???xy ?k  (2.15) ?M x ? ???x ? ? ? ?M y ????? h/2 ? ? ???y ?  zdz ? ? ?h/2 ? ? 由接连性假定得到： ?M xy ? ???xy ?k ??N  ? ?????  ?Q Q Q ?  ? ????0 ? ?k ? ? ?????x ? N z ???x ? N ???1 1 1 2 1 6 ? x ?z ? ? ? z ???x ? ? k???N ? k ? dz ? Q Q Q ? k ??0 dz ? k zdz ? ????y ? ? ???z ???y ? ????1 2 2 2 ?2 6 ???z ???y ? ?z ???y ? ?k? ? k ?? ? k ?1 ? k 1 ? ? k ?1 ?Q Q Q ???? k 1???0 ? k ?1 ? ? ??Nxy ? ???xy ?k ? ???16 26 66 ?k ? ???xy ? ?kxy ? ? (2.16) ??M x ? ???x ? ?Q11 Q12 Q16 ???? ???x ? ?k ? ? x? x k? z? ? ? k ? z y? y ? ? ? ? ? zk 0? ?? 0 0 ? ? zk ? ? y?? 2 ? y ? ?N ? ? ? ? ??M y ??? ?? ? z zdz ?Q12 Q22 Q26 ??????z ???y ?z dz ?k ??z dz z ?? ? k ?1 k ?1 ? ? k ?1 ? ???? k ?1 ???0 ? k ?1 ? ? ? ??M xy ? ???xy ?k 对公式 2.16 式积分得到: ?Q16 Q26 Q66 ?k ? ???xy ? ?kxy ? ? ??N ?  ??A A A  ?????0 ?  ??B B B ???k ? ?????x N ????? 11 12 16 A A ??? x ??0 ??? 11 12 16 x ?B B B ????k ???? y ? ? ? ???12 22 26 ?????y ? ???12 22 26 ?????y ? ??N ? ??A A A ?????0 ? ?B B B ???k ? ?????xy ? ? ???16 26 66 ??? xy ? ???16 26 66 ??? xy ? (2.17) x??M ? x ??B B B ?????0 ? ??D D D ???k ? ??M ????? 11 12 16 B B ??? x ??0 ??? 11 12 16 x ?D D D ????k ???? y ? ? ? ???12 22 26 ?????y ? ???12 22 26 ?????y ? ??M ? ?B B B ?????0 ? ?D D D ???k ? ?? 其间: xy ? ???16 26 66 ??? xy ? ???16 26 66 ??? xy ? ? h/2 N N ??Aij ? ??Qijdz ??(Qij )k (zk ??zk ?1 ) ???(Qij )k hk ? ?h/2 k ?1 k ?1 ? h/2 N N (2.18) 2B ? Q zdz ??1 2 (Q ) (z2 ??z2 ) ? (Q ) h z (i, j ??1, 2, 6) ???ij ? ? ij ?h/2 ? k ?1 ij k k k ?1 ? k ?1 ij k k k 3? h/2 3 N N ?D ? Q z2dz ??1 (Q ) (z3 ??z3 ) ? (Q ) (h z 2 ??1 h3 ) ????ij ? ij ?h/2 ? k ?1 ij k k k ?1 ? k ?1 ij k k k 12 k Aij 为拉压刚度， Bij 为耦合刚度， Dij 为曲折刚度， hk ??zk ??zk ?1 为第 k 层的厚 zk ??2 (zk ??zk ?1 ) 度， 1 ③ 复合资料结构 为第 k 层中面的 z 坐标。 复合资料结构是指由叠层复合资料作为根本资料，依据结构规划的需求，制 成特定形状的结构。在机舱罩的制作进程中，挑选复合资料首要为了减轻重量， 并且比较其长宽高的尺度，机舱罩的厚度很小，归于大型壳体结构。 以圆柱壳体为例，在剖析复合资料壳体结构强度时，选用 x??z 坐标体系[37]， 如图 2.4 所示： 图 2.4 层合圆柱壳的坐标体系 Fig.2.4 Coordinate system of laminated cylindrical shells 复合资料壳体结构恣意一点的位移重量标明为： ?u ??x,??, z ????u0 ??x,??????z????x,??? ? ?v ??x,??, z ????v0 ??x,??????z????x,??? ??w??x,??, z ????w??x,??? ?  (2.19) u0 ，v0 ， w 是壳体中面沿 x ，??， z 方向的位移， ?x ， ???是中面法线沿 x 和? 方向的转角。 壳体结构恣意一点的横向剪切应变方程为： ??xz ???x ???w ? ?x ? ? ?  (2.20) 几许方程为： ???z ??????? w ??v0 ? ?s R ?? ??0 ???u0 ? x ?x ? ? ??0 ???v0 ??w ? ? ?s R ? ? ? ? ??0 v0 ? ? ? x? ?x u0 ? ?s ? k ???? x ?? k ???? ? ?s ??? ? ? ? ? ? ? ? ????? (2.21) 0 0 0 kx???????????s ? ??x ， ?? ， ??x???为 壳体中面应变， kx ， k???， kx???为 中面曲率改变量， s ??R?， d s? R?d 。 壳体结构的根本平衡方程为： ?Nx ? ?Nx?  ???q ?2u ???  0 ??H ?2? ? ? ?x ?? x ??N ?N Q ? ?t 2 ?2v ?t 2 ? ?2 ? ? x???? x ? ?x ?? ???q?????? R 0 ??H ?t 2 ?t 2 ? ?Q ?Q N ?2 w ? xz ? ?x ?M ??z ? ?? ?M ????????p(x,??) ??? R ?2?  ??t 2 ? ? ? ?2u ? (2.22) x ? x?????Q ???m ??J ??H 0 ? ?x ?? ?M ?M xz x ?t 2 ?2 ? ?t 2 ? 0?2v ? 0 ???x ? ? ?x x ??Q z?? z ???m?????J ??H ?t 2 ?t 2 ? qx ，q??是剪切载荷，是由效果于壳体内、外外表的剪切力??x???、???x 引起的；mx ， m??是剪切力偶矩，是由外表剪应力引起的； p(x,??) 是笔直于壳体外表的法向应力 [37]，是由横向散布载荷引起的。 2.3 本章小结 本章介绍了复合资料和玻璃钢的根本概念、特别功用和长处，论述了复合材 料力学特性的相关理论，总结了各向异性弹性体的应力-应变联络和根本方程。在 复合资料根本假定的根底上，树立了单层资料、层合板和曲面结构复合资料的力 学特性模型，为后续机舱罩的强度剖析打下了理论根底。 3 3 复合资料机舱罩的铺层办法研讨 重庆大学硕 重庆大学硕士学位论文 3 复合资料机舱罩的铺层办法研讨 在航空航天、风力发电、轿车、船只等范畴，复合资料的运用非常广泛。但 因为复合资料各向异性的特色，不同的纤维方向就使得资料的功用千差万别，因 此其铺层结构规划比较杂乱。针对复合资料铺层规划问题，多种专业剖析软件被 开发运用，使复合资料的剖析规划进程变得快捷、准确。 3.1 复合资料剖析软件介绍 国际闻名的有限元剖析和核算机仿真运用软件供给商之一，MSC公司的一系 列CAE产品为当时的复合资料剖析供给了很大的便当，尤其是前处理软件MD Patran和后处理软件MSC. Laminate Modeler [38-39]。 MD Patran软件中界说了多种资料模型，例如现在工程中广泛运用的各项同性、 正交各向异性、各向异性、热正交各向异性等资料类型。针对复合资料剖析，该 软件包含了对称和反对称层合板复合资料、短纤维复合资料、颗粒增强复合资料 等复合资料的规划办法以及各种复合资料失效原则。并且，Patran软件中对复合材 料的界说非常便利，能够直观地看到其柔度矩阵、刚度矩阵以及铺层办法，还可 以创建自己的资料数据库，便利规划者随时依据需求修正优化规划。 MSC. Laminate Modeler 是 MD Patran 的一个模块，是专门的复合资料建模工 具，首要用于复合资料的辅助规划、剖析和制作。它答应规划师经过挑选某个几 何区域及其所用的铺层特性（例如单层的初始方向、纤维方向和资料数据等）进 行直观的铺层规划和修正。运用 Laminate Modeler，规划师能够恣意增加、删去或 修正每一层资料的性质，使优化剖析愈加快捷，削减了时刻和经费的损耗。其主 要功用如下： ① 铺层仿真功用。 Laminate Modeler 运用直观的办法表达铺层办法，例如挑选适宜的资料、界说 开始点的方位和纤维方向，在界说完单层铺层后，界说全体铺层。这种直观的过 程与实践的制作办法共同。 ②复合资料建模功用。 Laminate Modeler 为复合资料的有限元模型的每一个单元供给了完好准确的定 义，即每一个单元都要有仅有的资料相对应。它还能够主动把壳单元扩展成求解 器支撑的实体单元，进行愈加详尽的剖析。 ③ 失效剖析功用（前后处理）。 Laminate Modeler 包含常用的资料失效原则，包含最大应力原则、Tsai-Wu 准 则、Hoffman 原则、Hankinson 原则和 Cowin 原则。它还答应规划师用 PCL 函数 界说自己的损坏原则。 ④ 可视化功用。 Laminate Modeler 供给了归纳的视觉效果东西。规划师能够在任何时候检查铺 层的形状和特性，包含纤维方向、单层厚度和结构歪曲。 3.2 MD Patran 软件中的铺层办法 在 Patran 软件中，复合资料铺层设置的办法有两种[39-40]，别离介绍别离如下。 Materials and Properties 铺层办法： ① 设置各单层资料的资料特性，例如弹性模量和密度等； ② 设置开始方位、铺设次序、铺设视点和各单层的厚度，界说层合板； ③ 将界说好的层合板特色赋给网格模型中的单元。 laminate modeler 模块铺层办法： ①设置各单层资料的资料特性，例如弹性模量和密度等； ② 树立 layup 文件，保存单层资料的铺层信息； ③ 界说单层资料特色和每层厚度； ④ 界说层合板，设置开始方位、铺设次序、铺设视点和各单层的厚度。 3.3 特别结构复合资料铺层办法研讨 复合资料铺层规划的思路首要有两种，一种是依据载荷重量安顿纤维方向， 以最大极限地运用纤维承载的方向性；一种是运用份额铺层规划，以取得结构所 需的刚度特性。机舱罩复合资料构件铺层规划的根本原则是：低本钱、高质量、 高功用。 机舱罩前挡板、下板或内部的分近邻等结构都对错关闭的，对这样的结构， 在铺层时尽管界说了单层的铺层开始方位和铺层角，可是因为板中心有孔，在定 义层合板时，现已界说的单层资料无法在实体结构上找到相应的投影点，会导致 使铺层作业中止。 论文提出了“一补二铺三删”的办法。以机舱罩前挡板为例，先把有孔的前 挡板增加补充网格单元，补成关闭的完好结构，如图3.1所示； 然后在Laminate Modeler软件中对关闭的板结构进行单层铺层设置；界说了单层资料之后，将补充 单元删掉，如图3.2所示。 图3.1 带有补充单元的前挡板 Fig.3.1 Front plate with supplement elements 图3.2 删掉补充单元的前挡板 Fig.3.2 Front plate without supplement elements 实践上，在机舱罩的出产制作进程中, 也是先将复合资料铺出机舱罩全体结构 结构，然后在需求打孔或开口的当地切除剩下的资料。所以，论文中提出的的仿 真铺层办法和实践出产进程相吻合，增加了剖析的准确性。 考虑到机舱罩的漂亮效应，在结构规划时，需求增大各个板壳搭接处的圆角 弧度, 使这些板壳成为双曲率或多曲率板。因为各个点的曲率发生变化，资料在纤 维方向上就会发生较大的拉伸变形抗力，构成纤维伸长量减小，纤维摆放和纤维 间的夹角发生变化，使单层纤维的剪应力散布不均匀，导致部分剪应力过大。以 机舱罩前帽盖的铺层为例，如图3.3所示，灰域便是剪应力过大的区域。 图3.3 应力过大的前帽盖 Fig.3.3 Front cover plies with bigger shear stress 关于这样的结构，在进行铺层设置时有两种办法：一是将结构切分红若干个 部分，别离独自进行铺层；二是经过不断调整铺层的开始方位,依照给定的初始方 向将节点向曲面上映射，这样能够确保网格剪切变形尽或许小使剪应力到达规范 要求。图3.4所示为更改铺层开始方位后机舱罩前帽盖的铺层图，剪应力过大的区 域显着缩小。 图3.4 修正后前帽盖 Fig.3.4 modified front cover plies 3.4 复合资料铺层份额和铺层次序研讨 铺层份额是影响复合资料揉捏强度的最重要的要素。风机复合资料机舱罩所 选用的层合板一般选用0°、±45°和90°四种铺层角[41]，其间±45°层所占的比 例对层合板的强度有着重要的影响，假如±45°层所占份额较小时，层合板首要 由0°和90°组成，很简略引起剪切损坏。所以复合资料必定要确保±45°层的比 例。最好的铺层份额为±45°层不少于50%，0°层不少于25%，90°层在10%到 25%之间。 铺层次序是影响复合资料力学特性的别的一个重要参数。铺层份额和铺层层 数相同的层合板，铺层次序千变万化，不同的铺层次序，单层之间的层间应力也 不相同。实验标明，同一方向的铺层尽或许均匀分散开，相邻层之间的夹角越小 越好。 复合资料机舱罩各部分铺层办法如下： ① 主体铺层 EMK300 短切毡 1 层、EWR600 方格布 1 层、600/180/600 夹心复合毡 1 层、 LTM800/450 多轴向缝编毡 5 层，共 8 层，不包含轻木和泡沫补强区域，铺层设置 如图 3.5 所示。 图 3.5 主体结构铺层 Fig.3.5 Overlay of main body ② 加强筋铺层 EMK300 短切毡 1 层、EWR600 方格布 1 层、600/180/600 夹心复合毡 1 层、 LTM800/450 多轴向缝编毡 5 层，共 8 层纤维，中空区域选用泡沫彻底填充补强， 铺层设置如图 3.6 所示。 图 3.6 加强筋结构铺层 Fig.3.6 Overlay of strengthening rib ③ 顶板加厚区域加强筋铺层 EMK300 短切毡 1 层、EWR600 方格布 1 层、600/180/600 夹心复合毡 1 层、 LTM800/450 多轴向缝编毡 6 层，共 9 层纤维，中心增加轻木夹芯，铺层设置如图 3.7 所示。 图 3.7 加厚区域加强筋结构铺层 Fig.3.7 Overlay of strengthening rib in thickened region 资料的功用规划值参照相关资料和实测值，如表 3.1 所示。 表 3.1 资料功用 Table3.1 Material property 多轴向缝 功用 短切毡 方格布 编毡  夹心复合 毡  轻木 泡沫 弹性模 量 泊松比 剪切模 Ex（Gpa） 24.9 22.63 17.66 11.68 Ey（Gpa） 24.9 22.38 16.05 9.8 νx 0.75 0.11 0.23 0.22 νy 0.75 0.1 0.24 0.22 3.9 0.1 0.3 0.32 量 层间剪 切强度 Gxy（Gpa） 4.91 3.58 3.93 2.71 0.157 0.02 S（Mpa） 15.61 17.56 23.69 13.69 单层厚度（mm） 0.44 0.66 1.3 2.19 9.525 20 密度（kg /m2） 1898 1705 1771 1504 150 75 3.5 本章小结 本章先介绍了复合资料剖析软件的功用和长处，总结了在 Patran 软件中复合 资料的两种铺设办法。针对机舱罩的特别结构特色、各个部分的不同功用以及机 舱罩的实践出产工艺，对不同区域的铺层办法进行了研讨。例如先铺出机舱罩的 全体结构，然后在需求打孔的当地将剩下的资料切除；关于双曲率或许多曲率的 部分，将其切分红若干个部分进行独自铺层，并恰当调整铺层开始点，以使剪应 力到达规范要求。这种铺层办法和实践出产进程相吻合，增加了剖析的准确性。 此外，铺层次序和铺层份额也是影响复合资料力学特性的重要参数。铺层份额、 铺层层数、铺层次序千变万化，不同的铺层办法，单层之间的层间应力也不相同， 本章经过实验剖析，调整了机舱罩的铺层次序。 4 4 复合资料机舱罩强度剖析 重庆大学硕 重庆大学硕士学位论文 4 复合资料机舱罩强度剖析 许多工程规划问题中都会呈现结构力学功用的研讨问题，结构力学功用对工 程结构的规划有着至关重要的影响。当涉及到特别要求的结构体时，如论文中研 究的风力发电机组机舱罩，不只要满意根本的结构强度，还要满意流体动力学要 求，并且体积非常巨大。假如彻底运用实验手法，研发周期长，经费耗费大，实 验功率低。 而复合资料层合板壳结构的极限剖析求解办法一般都对错线性剖析办法，包 括解析法和数值法。在实践的工程核算时，板壳结构的几许形状一般比较杂乱， 载荷、板壳厚度、资料功用、鸿沟条件也各不相同，一般很难用解析法来求解， 所以只能用非线性数值法求解。而非线性数值法中，运用最广泛，也最为有用的 便对错线性有限元法，它能够缩短需研发周期，下降研讨费用，并且能够重复研 究剖析。 4.1 有限元办法及软件的介绍 有限元法（Finite Element Method）是一种数值剖析办法，它不只广泛地运用 于处理工程中杂乱的结构剖析问题，并且在声学、传热学、电磁学、流体力学等 范畴也有非常重要的运用。有限元的根本思想是用较简略的问题代替杂乱问题后 再求解，即把接连的几许结构离散成有限个彼此联节的点构成的单元，将接连体 看作仅在节点处相衔接的一组单元的集合体[42]，首要选定场函数的节点值作为基 本未知量，在每一单元中假定一个近似插值函数标明单元中场函数的散布规则， 再树立有限元方程组用于求解节点未知量，然后将一个接连域中的无限自由度问 题转化为离散域中的有限自由度问题。求解得到节点值后，经过设定的满意在子 域内部、子域分界面上以及子域与外界面上某种条件（如结构的平衡条件）的插 值函数，来确认每个单元以及整个集合体上的场函数。在已知外载荷效果下，单 元组合体处于平衡状况时，列出以节点位移为未知量的线性方程组并求解，再用 弹性力学的相关公式，核算出各单元的应力、应变，当各单元小到必定程度，那 么它就代表接连体遍地的线]。 有限元剖析办法的根本流程如图 4.1 所示： 图 4.1 有限元剖析流程 Fig.4.1 Finite element analysis process ① 前处理 在前处理进程中，要害问题是要结构高质量的网格模型。经过对杂乱的几许 模型进行结构简化和代替，对接连体进行网格区分（即离散化），树立有限元剖析 模型，然后赋予网格模型正确的单元特色和资料特色，施加载荷数据。 ② 剖析核算 剖析核算进程是有限元剖析的中心部分，在这个进程中，有限元剖析理论（即 有限元力法、有限元位移法、有限元混合法）将经过单元剖析、全体剖析、载荷 施加、鸿沟束缚、求解束缚方程等进程付诸详细运用。 ③ 后处理 后处理阶段首要包含提取、修改核算成果以及成果可视化处理等。在这个过 程中，软件把有限元剖析得到的数据（如结构变形、位移、应力应变散布等）绘 成直观的图形，然后协助规划人员敏捷正确地点评和校核规划方案。 4.2 机舱罩几许模型及有限元剖析模型 4.2.1 单位及坐标系 论文中所选用的单位如表 4.1 所示。 表 4.1 论文中运用的单位 Table4.1 Units used in the paper 符 号 名 称 单 位 E 弹性模量 MPa μ 泊松比 - L 长度/位移 mm m ρ 质量 密度 T T/mm3 F 力 N M 力矩/扭矩 Nmm σ 应力 MPa 依据 GL 规范[44]，机舱罩所选用的坐标系如图 3.1 所示： 图 4.2 机舱罩坐标系 Fig.4.2 Coordinate of Nacelle 原点：塔筒轴线和塔筒顶面的交点，不随导流旋转。 X 轴：与风轮旋转轴轴线平行，固定在塔筒上； Y 轴：沿水平方向，与 XK 和 ZK 构成右手坐标系； Z 轴：竖直向上。 几许模型 机舱罩成为风电机组的重要零部件之一，它是防护结构，其功用是确保机组 正常运转，削减运转阻力，延伸运用寿数，并为设备与保护人员供给必要的操作 空间。机舱罩是一种大型壳体结构，其配套零件多，且造型杂乱。 机舱罩几许模型如图 4.3 所示，主体由九个部分组成： 前挡板、侧板、后板、下板、上板、前帽盖、遮雨罩、电机盖和冷凝器隔板。 图 4.3 机舱罩几许模型 Fig.4.3 Geometric model of nacelle-cover 其间，前挡板与轮毂罩之间预留了进出口，以便利修理人员的进出；侧板分 为左右两块，靠支撑座和弹性支撑与机座衔接合作，左右侧板上各有三条主筋， 主筋上设备有挂件，挂件联接机架上的弹性元件，由此固定在机架上。上板为工 作人员在机舱顶部活动供给空间，一起规划为上凸的，以防止积存雨水。冷凝器 隔板上安顿总质量 570kg 的冷凝器。主体内部有分近邻，分近邻上装有 33kg 的风 扇。各板块搭接处用角钢联接。 因为修理时，遮雨罩和电机盖都有翻开的或许，这几个部件翻开时会影响机 舱罩的全体应力散布，因而需求考虑开口状况下的机舱罩全体静强度是否满意强 度要求。 有限元模型 因为机舱罩主体的厚度远小于其长宽高方向上的尺度，故机舱罩可视为壳体 结构，作为整板剖析，因而选用 2D 单元树立有限元模型。在 MSC.Nastran 软件中， 界说的 2D 单元有以下几品种型[39]： 2D Solid 单元：界说平面应变单元。 Bending Panel 单元：界说抗弯的板单元。 Membrane 单元：界说可接受拉压和曲折的薄壳单元。 Shear Panel 单元：界说只接受剪力的二维力学模型剪切板单元。 shell 单元：界说可接受拉、压、弯、剪的平面板壳单元。 考虑上述各种单元特性以及机舱罩需求接受拉、压、弯、剪等杂乱载荷的情 况，选用 Shell 单元模仿复合资料机舱罩结构，用当量截面界说板壳单元的抗拉压、 抗弯、抗剪资料和功用，运用映射对称网格对机舱罩进行区分，能够防止网格畸 形，进步精度，简化核算量。 机舱罩的网格模型如图 4.4 所示。 图 4.4 机舱罩网格模型 Fig.4.4 Mesh model of nacelle-cover 4.3 机舱罩载荷剖析核算 跟着作业环境的不同，机舱罩所接受的载荷也杂乱多变。一般状况下，效果在 机舱罩上的载荷首要有静载荷、活动载荷和风载荷，假如保存核算，还需求考虑 冰雪载荷的影响[45]。 风载荷 空气从高气压向低气压活动构成风，气压力差是构成风的首要要素，在活动 进程中，气流遇到障碍物时，对物体外表发生必定的压力效果，即风压。风载荷 首要受空气密度、经过机舱罩外表的均匀风速、湍流、叶片转速以及机舱罩的气 动外形的影响。 依据流体力学伯努利方程，根本风压与风速的联络能够标明为[46]： P ??1 ???2 0 2  (4.1) 3P0 为根本风压（Mpa）， ??为空气密度1.225kg / m ，??为风速(m/s)。 3 气流绕过物体时，为把近地风的风压转换为障碍物外表的风压，需求用到修 正系数，即风载荷体型系数。风载荷体型系数与物体的几许形状和外表粗糙度有 关[47]，一般经过实验测定。 关于风力机机舱罩，风载荷体型系数一般是依照附近结构以及经历来进行保 守取值，论文中将机舱罩近似看作长方体壳体结构。在 GL 规范中，疏忽阵风的影 响，风压核算公式为： P ??????v2 ??c ?????/2 (4.2) Sk Wind w f ??为空气密度1.225kg / m3 ； vWind 为风速， vwind ??1.4Vref （Vref 为参阅风速）； cw 为风载荷系数，反映机舱罩各个外表受笔直气流效果的状况，GL 规范中设 定的简化取值办法如图 4.5 所示； ??f 为风载部分安全系数，依据 GL 规范和收购规范，应考虑以劣势载荷状况： ① 50 年一遇带气流的阵风，早年方分红±15°的扇形， ??f = 1.35 ； ② 50 年一遇来自一切方向的阵风， ??f ③ 1 年一遇来自一切方向的阵风， ??f =1.1； =1.1； ④ 50 年一遇的阵风，均匀阵风违背轴线°，不结冰，??f 载最大。 =1.5，该工况风 图 4.5 cw 的简化取值 Fig.4.5 Simplified value of cw 依据空气动力学原理，当机舱罩某个方向顶风时，该方向上的板受正风压， 罩体其他五个背风或平行于风方向的板遭到负风压。 静载荷 静载荷即机舱罩壳体及衔接部件所受的重力叠加，一般为制作商供给的均匀 值乘以 1.05，或许参阅德国船级社规则的有关结构规划的规范/规范。在有限元模 型中经过施加重力加速度完成加载。 活动载荷 活动载荷首要是指工人修理机舱罩时发生的顶部载荷，经过出产商对产品的 点评来确认。关于机舱罩，活动载荷依照以下几个部分设置： ① 楼梯、铺板、内部用于行走的壳体、渠道等： Psk ??3.0kN / m2 ，或 F ??1.5kN ，效果在 20×20cm2 的面积上。 sk② 顶部载荷，外部用于行走的壳体部分： sk Psk ??3.0kN / m2 ，顶部的总载荷可经过现场符号（如出口舱盖处的公告） 来减缩。 Fsk ??1.5kN ，效果在 20×20cm2 的面积上。 ③ 一切结构单元上的供给水平抗力的水平载荷： Psk ??1.0kN / m2 ， F ??1.5kN。