纤维增强复合材料风机叶片宏细观一体化有限元分析

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风机叶片所处环境复杂,极易出现各种各样的损伤和破坏。通常选用纤维增强复合材料制备,作为一种由纤维、基体和界面构成的多相材料,其损伤方式一直是研究的重点。本文提出一种宏细观一体化对纤维增强复合材料风机叶片进行有限元分析的方法。  首先,基于通用单胞模型和均匀化理论,对宏细观一体化有限元方法开发了相应的子程序编码,主要是把细观力学的损伤判断过程用VS中的FORTRAN语言模块编写,然后与有限元软件ABAQUS中的USDFLD用户子程序接口相接。  其次,建立纤维增强复合材料风机叶片三维有限元模型,对其进行了0/45/-45/90度的铺层设置;以新疆几大风区可利用风能资源为背景,确定了8m/s的工况风速,从而确定了初始载荷;并输入其他材料参数和边界载荷;完成支反力RF的设置;选择已编好的子程序,获得所需数据和结果。  然后,分别对受重力和气动载荷下及受重力和气动载荷综合作用下风机叶片0/45/-45/90度铺层进行宏细观一体化分析,分别得到了最先发生损伤区域;将宏细观一体化方法计算结果与一般有限元法计算结果进行对比,发现USDFLD方法更加准确,并且和实际情况更加相符;对比模型计算结果与哈尔滨工业大学王艳青的试验结果,两者拥有较高的契合度。  最后,应用XFEM裂纹扩展技术对应力富集区域进行裂纹扩展模拟,获得了应力富集区域的Mises应力云图和SDEG视角下的裂纹生长示意图;本文应力强度因子计算值为58.571/2MPa?m,理论值为58.261/2MPa?m,二者误差在5%的许可范围内,所以本文计算得到的应力强度因子是可信的。  本文二次开发ABAQUS的USDFLD场变量用户子程序,结合有限元分析法,建立了风机叶片宏观结构与细观组分之间的关联模型。实现了纤维增强复合材料风机叶片的强度预报。
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