低温对玻璃钢复合材料的影响 本文关键词：复合材料，玻璃钢，低温，影响
低温对玻璃钢复合材料的影响 本文简介：摘要：试验以及ＡＮＳＹＳｗｏｒｋｂｅｎｃｈ有限元模拟的方法研究了不同铺层的玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料在－４０～８０℃的低温下的弹性模量以及拉伸强度随温度变化的规律。结果表明：有限元模型能够较为精准地模拟不同温度下的拉伸过程，模拟的最大误差仅为８０６％；在－４０～８０℃的温度下，随着温度的上升叶根
低温对玻璃钢复合材料的影响 本文内容：
摘要：试验以及ＡＮＳＹＳｗｏｒｋｂｅｎｃｈ有限元模拟的方法研究了不同铺层的玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料在－４０～８０℃的低温下的弹性模量以及拉伸强度随温度变化的规律。结果表明：有限元模型能够较为精准地模拟不同温度下的拉伸过程，模拟的最大误差仅为８０６％；在－４０～８０℃的温度下，随着温度的上升叶根材料的纵向拉伸强度降低幅度最大，为２７０７％，而层合板的纵向弹性模量只有叶根材料和蒙皮材料变化较为明显。
关键词：复合材料；高低温力学性能；性能预测
引言
玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料由于其密度小、强度、耐腐蚀等显著优点，常用于制造大型风力机叶片。但由于近年来，温室效应引起全球气候变暖，导致了全球气候的不稳定性，极热或极冷的天气状况出现几率日益增多，极端温度变化对玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料性能的影响已不容忽视［１］。目前，国内外对风机叶片的研究焦点基本均集中在叶片结构性能以及疲劳寿命等问题上，考虑气温因素的影响却很少［２－６］。刘康等［２］人对纤维增强聚合物基复合材料的低温性能做了整体分析，揭示了低温环境下，纤维增强聚合物基复合材料性能的影响因素主要是基体和纤维之间的界面效应。曾红燕，翁春晓［３－４］对玻璃纤维复合材料进行超低温性能测试，结果显示低温环境下，玻璃纤维复合材料的力学性能会有一定的提升。ＰｅｅｙｕｓｈＢｈａｒｇａｖａ［６］则通过实验数据得到不同温度下的叶片材料弹性模量和剪切强度，研究表明：复合材料和温度的关系是随着温度的升高，材料的抗拉强度、抗压强度、剪切强度和弹性模量都会下降，并且在小的变化范围内呈近似线性关系。但是温度的变化不仅能改变叶片的材料属性，也会导致叶片的应力、应变变化。为此，作者以玻璃纤维增强环氧树脂层合板为研究对象，考虑叶片工作的实际情况，由文［１３－１５］可知当环境温度为－３０～４０℃时，由于光照或者比热容等物理因素的影响，叶片的实际工作温度为－４０～８０℃。因此对其在－４０～８０℃的温度的残余应力进行了较精确的测试。然后通过力学试验以及ＡＮＳＹＳｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件分析它的拉伸强度和弹性模量，从而为之后进行的风力发电机叶片性能分析提供可靠的依据。
１试样制备与试验方法
１.１试样制备
试验原料有Ｅ⁃４４（６１０１）双酚Ａ型环氧树脂，雷克德高分子（天津）有限公司；玻璃纤维分别为０°，ＥＷＲ２０５０型无碱玻纤布，±４５°，ＥＷＲ１０５０型无碱玻纤布，９０°，ＥＷＲ２０５０型无碱玻纤布，泰山玻璃纤维有限公司；ＢｕｔａｎｏｘＭ⁃５０固化剂（过氧甲基乙基酮，邻苯二甲酸二甲酯溶液）。试验所用的所有的试样均委托青岛逸凡风力发电设备有限公司采用缠绕以及预浸料／热压工艺来制备，之后通过切割机按照《ＧＢ／Ｔ３３５４－２０１４定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》中要求的试件的尺寸进行切割。由于在风力发电机运转的过程中，叶片各个部分所受到的载荷类型和大小均有所不同，目前在对叶片进行研究时，大多数学者将叶片分为叶根、主梁、蒙皮以及腹板４个部分［７］，如图１所示，其中叶根为与轮毂连接处。其中叶根主要承受弯曲和扭转载荷；主梁是叶片轴向上承担挥舞弯矩的主要结构；蒙皮其主要作用是承担叶片所受的扭转载荷、防止单向纤维布铺层开裂、防止叶片表面出现局部凹陷；腹板主要承受剪切载荷以及提供抗屈曲稳定性［８］。根据文［７－１２］选取的铺层角度如表１所示。
１.２试验方法
试验将编号为１～４的４种试样分别在－４０℃，－５℃，２５℃，４０℃，８０℃共计５个温度点测试可承受的最大力，每个温度点测试５个试样，之后通过试验数据计算４个温度点的拉伸强度和弹性模量。试验先将每组试样分别放入加热炉在特定的温度下保持４８ｈ后，进行力学性能测试。
２有限元模型的建立
２.１材料的本构关系
在对复合材料进行热力学分析时，由于温度的变化对纤维的杨氏模量影响很小，其变化基本可以忽略不计，因此在考虑温度变化对复合材料性能的影响时，只考虑温度对树脂基体杨氏模量的影响，最后由Ｈａｌｐｉｎ⁃Ｔｓａｉ模型得到复合材料的材料参数。
２.２模型的建立
为了使模拟结果与真实试验效果接近，建立尺寸为２５０×２５ｍｍ２的矩形板，采用正六面体进行网格划分，最小单元为１ｍｍ，最大为２ｍｍ，共生成１６１９个网格，材料参数如表２所示，之后通过ＡＣＰ对试件进行铺层，层合板铺层方式如表１所示，单层板厚度为０２ｍｍ，铺层后叶根材料性能参数如图２所示，图中所有单位均为Ｐａ，依据该层合板，建立起有限元模型对其进行拉伸模拟。
３结果与分析
将叶根、主梁、蒙皮和腹板四种试件在不同的温度下进行试验，通过试验以及模拟得到在不同温度下的拉伸强度和弹性模量，现将各个试样的试验结果分述如下。不同温度下叶根材料的力学性能由模拟及试验得出的不同温度条件下叶根材料拉伸强度以及弹性模量试验数据如表３所示。将５个温度点下叶根材料的拉伸强度以及弹性模量的数据，通过简单的曲线拟合，得到叶根拟合曲线如图５和图６，所得直线方程为式（７）和式（８）。不同温度下主梁材料的力学性能由模拟及试验得出的不同温度条件下主梁材料拉伸强度以及弹性模量试验数据如表５所示。根据ＭＡＴＬＡＢ的ｃｆｔｏｏｌ数据拟合工具拟合出的方程，可以预测当温度Ｘ取值为－４０℃时，主梁材料的拉伸强度Ｙ为３２８９７ＭＰａ，试验平均值为３１４５３ＭＰａ，两者的偏差精度为４５９％；弹性模量为８７０ＧＰａ，试验平均值为８８５ＧＰａ两者的偏差精度为１６９％。拟合方差分析见表６。不同温度下蒙皮材料的力学性能由模拟及试验得出的不同温度条件下蒙皮材料拉伸强度以及弹性模量试验数据如表７所示。
４结论
１）通过拟合曲线可以看出，不同铺层的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料在温度为－４０～８０℃的条件下，拉伸强度和弹性模量与温度均呈线性关系，并随着温度的升高而降低。２）对模型试件设置材料参数、铺层角度以及层数，有限元模型能够较为精准地模拟不同温度下的拉伸过程，模拟最大误差仅为８０６％，可以用于模拟试件的低温变形行为。３）在温度为－４０～８０℃的条件下，温度的升高会导致所有层合板的纵向拉伸强度有所下降，其中叶根材料下降幅度最大，为２７０７％，蒙皮材料为２５４６％，腹板材料为２２８５％，主梁材料为２０３１％。此外，随着温度的升高，主梁和腹板材料的纵向弹性模量变化并不明显，而叶根和蒙皮材料的纵向弹性模量随温度升高分别下降了２０３７％和１４６６％。
作者：芦丽丽 祁文军 王良英 陈海霞 单位：新疆大学机械工程学院 机械制造系统工程国家重点试验室