全尺寸粘聚区建模及风力涡轮机叶片根部接头脱粘行为的实验研究

《Polymer Composites》：Full-Scale Cohesive Zone Modeling and Experimental Investigation of Debonding Behaviors in Root Joints for Wind Turbine Blades

风电机叶片根部接合处失效行为研究采用全尺度非线性渐进模型，通过建筑积木法验证。模型结合界面粘结区模型处理钢-复合材料和复合材料间界面失效，以及基于材料性能退化准则的渐进损伤模型模拟复合结构失效。实验与仿真对比显示最大失效载荷误差3%，验证了模型准确性。界面脱粘是失效先兆，纵向刚度对承载能力影响显著。该模型为叶片根部优化设计提供理论支撑。

　　

摘要

本研究通过采用全尺寸非线性渐进模型，并通过积木式方法进行验证，探讨了风力涡轮机叶片根部接头的失效行为。该模型整合了两种主要的失效机制：一是用于钢-复合材料以及复合材料之间界面失效的黏合区模型（CZM）；二是用于复合材料结构失效的渐进损伤模型。在积木式方法的测试体系中，最低级别的测试包括夹层双悬臂梁（DCB）试验和端部缺口弯曲（ENF）试验，这些试验用于获取玻璃纤维增强塑料（GFRP）与钢之间的界面材料性能，并验证CZM参数。复合材料的失效是通过基于材料性能退化规则的渐进损伤方法来模拟的。叶片根部接头的失效行为通过实验测试和仿真分析进行了研究。结果表明，数值仿真预测的失效模式与实验观察结果一致，最大失效载荷的偏差仅为3%。GFRP与钢界面处的脱粘是根部接头失效的前兆，会导致包覆纱线的损伤。此外，研究还表明根部接头中UD（单向碳纤维）块的纵向刚度对最大承载能力有显著影响。该经过验证的模型为优化叶片根部接头设计、提升风力涡轮机叶片的性能和耐久性提供了宝贵的见解。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。