1 姚衛星-風電葉片復合材料結構可靠性設計方法與實施途徑.pdf

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1、1從航空技術視角看風電葉片復合材料結構可靠性設計方法與實施途徑姚衛星南京航空航天大學第18屆再生能源學術大會 20230402 南京2內容概要1航空結構可靠性要求2復材結構的可靠性設計3葉片復材結構可靠性要素4葉片結構可靠性管理5結束語31.可靠性要求 名詞術語 定義可靠性：產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力?？煽慷龋寒a品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的概率。(1)規定條件下的可比性 三個規定。三個規定。(2)時間質量指標 原始質量與不同時間的質量。原始質量與不同時間的質量。(3)統計、抽樣特性 整批產品的可靠性是通過抽樣統計得到的。評定指標：可靠度值和置信整批產品的可靠

2、性是通過抽樣統計得到的。評定指標：可靠度值和置信度值。度值。41.可靠性要求 名詞術語 容易混淆的術語可靠性 產品在規定的條件下，在規定的時間內，完成規定功能的能力。以可靠度度量。安全性 建立一種環境，使人們在這種環境下生活與工作感受到的危害或危險是已知的、清楚的，并且是可控制在可接受的水平上。以安全度度量。風險性 風險性以風險值度量。它是事故發生概率和該事故的后果的乘積。51.可靠性要求 名詞術語 可靠性設計現實與可能(1)物理性不確定性 與物理量直接相關的不確定性，與時間有關。(2)統計性不確定性 由于樣本容量有限而產生的不確定性。(3)模型性不確定性 由建模時簡化、假設、物理機制的不明等

3、原因造成的不確定性客觀存在產品可靠性要求，分析、計算、試驗等技術為可靠性設計提供了可能61.可靠性要求 指定性文件 飛行器結構設計基本要求在保證有足夠的強度、剛度、壽命、可靠性等要求下，使結構重量盡可能輕。飛行器結構重量減輕1%可使飛行器總重量降低3%5%，油耗可減少3%4%飛行器結構設計信條1克重量貴于1克黃金，為減輕每一克重量而奮斗！71.可靠性要求 指定性文件 飛行器結構設計準則體系結構完整性設計準則剛度設計準則強度設計準則安全壽命設計準則損傷容限設計準則可靠性設計準則環境適應性設計準則耐久性設計準則81.可靠性要求 指定性文件 軍用飛機強度規范的演變(GJB 775A-2012)1 崔

4、德剛等崔德剛等.飛機結構疲勞與結構完整性發展飛機結構疲勞與結構完整性發展綜述綜述.doi:10.7527/S1000-6893.2020.2439491.可靠性要求 指定性文件 軍用飛機強度設計與驗證的規范架構(611所)2 張立新等張立新等.先進戰斗機強度設計技術發展先進戰斗機強度設計技術發展與實踐與實踐.航空學報，航空學報，2020,41(6):52348010內容概要1航空結構可靠性要求2復材結構的可靠性設計3葉片復材結構可靠性要素4葉片結構可靠性管理5結束語112.FRP結構可靠性設計 結構完整性 結構強度的基本要義是要解決載結構強度的基本要義是要解決載荷、環境、時間三個要素下結構荷、

5、環境、時間三個要素下結構的完整性評估問題的完整性評估問題 強度、剛度和壽命是結構設計的強度、剛度和壽命是結構設計的根本要求根本要求 理論、數值、試驗是性能評估的理論、數值、試驗是性能評估的基本方法基本方法 環境因素作為影響材料性能的一環境因素作為影響材料性能的一個參量處理個參量處理 強度 剛度 壽命 理論分析理論分析 數值仿真數值仿真 試驗研究試驗研究結構完整性 材料性能 應力腐蝕 蠕變松弛環境 腐蝕疲勞 老化 流變時間 準靜態 循環載荷 振動沖擊力122.FRP結構可靠性設計 可靠性要求飛行器結構的可靠性指標目前還沒有明確的指標，下面是一些曾經用過的指標類別情況設計考慮指標1有人飛行器危及飛

6、行安全的關鍵結構A基準值多路傳力結構0.962有人飛行器，不直接影響飛行安全無人飛行器重要結構B基準值有人機多路傳力結構無人機單路傳力結構0.943其他結構B基準值無人機的安全系數(不確定性系數)可取1.21.30.92132.FRP結構可靠性設計 可靠性要求結構可靠性分析十分繁瑣，工作量巨大，目前的做法：將可靠性指標轉為安全系數（不確定性系數）傳統安全系數 f：可靠性安全系數載荷分布強度分布安全系數f 與R和S分布的關系其中可靠性指標為142.FRP結構可靠性設計 不確定性來源任何一個復合材料結構在其服役過程中均存在各種不確定性：任何一個復合材料結構在其服役過程中均存在各種不確定性：載荷環境

7、：飛行器服役載荷大小和歷程都是隨機不確定的，服役環境飛行器服役載荷大小和歷程都是隨機不確定的，服役環境不斷變化的不斷變化的材料屬性：FRP材料的彈性模量、強度極限、缺陷分布、疲勞壽命、材料的彈性模量、強度極限、缺陷分布、疲勞壽命、內應力分布等屬性具有隨機不確定性內應力分布等屬性具有隨機不確定性設計知識：FRP結構設計依賴的設計理論、設計準則很大程度上是經結構設計依賴的設計理論、設計準則很大程度上是經驗總結，其正確性和精確性還在持續提高中驗總結，其正確性和精確性還在持續提高中制造工藝：制造工藝、成形參數、裝配過程等可以控制在一定的變動制造工藝、成形參數、裝配過程等可以控制在一定的變動范圍內范圍內

8、152.FRP結構可靠性設計 不確定性來源環境差異性：環境存在機群差異性和單機的差異性，用于強度設計的環境環境存在機群差異性和單機的差異性，用于強度設計的環境是外包絡，用于壽命設計和評估的載荷環境是中值。是外包絡，用于壽命設計和評估的載荷環境是中值。溫度溫度/濕度濕度/%平衡吸濕量平衡吸濕量/%401007568321.210.021.030.070.740.030.330.02601007568321.260.011.10.030.750.030.290.02玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料T300/5208單向復合材料單向復合材料吸濕率吸濕率%溫度溫度ExGPa

9、X+MPaX-MPa0.5-28184152016170.522181150015001.012216814121060濕熱環境具有天然分散性濕熱環境具有天然分散性FRP結構壽命分散性大結構壽命分散性大162.FRP結構可靠性設計 不確定性來源載荷差異性：載荷存在機群差異性和單機的差異性，用于強度設計的載荷載荷存在機群差異性和單機的差異性，用于強度設計的載荷是外包絡，用于壽命設計和評估的載荷是中值。是外包絡，用于壽命設計和評估的載荷是中值。安全要求：飛行器結構壽命評估過于保守，極小概率下才可能失效飛行器結構壽命評估過于保守，極小概率下才可能失效實踐結果：對特定的飛機，不能充分使用結構的固有壽命

10、，造成浪費對特定的飛機，不能充分使用結構的固有壽命，造成浪費巡航下降爬升172.FRP結構可靠性設計 不確定性來源損傷：FRP結構的隨機損傷是固有的結構的隨機損傷是固有的強度：強度、剛度、壽命等力學性能具有隨機性，且分散性較大強度、剛度、壽命等力學性能具有隨機性，且分散性較大材料不均勻性來源：纖維表面缺陷或不直；樹脂固化不足；纖維表面缺陷或不直；樹脂固化不足；貧脂或富脂；基體中含孔隙、氣泡或夾貧脂或富脂；基體中含孔隙、氣泡或夾雜；固化過程中殘余應力造成的基體微雜；固化過程中殘余應力造成的基體微裂紋等裂紋等分布：慨括為局部纖維斷裂、局部基體中微裂慨括為局部纖維斷裂、局部基體中微裂紋以及局部層間分

11、層三類型損傷多點存紋以及局部層間分層三類型損傷多點存在，隨機分布。在，隨機分布。描述：建立相關的連續初始損傷場，得到各個建立相關的連續初始損傷場，得到各個材料點含損傷材料本構。材料點含損傷材料本構。182.FRP結構可靠性設計 不確定性來源設計知識不完備：FRP結構設計涉及到了材料許用值、結構設計思想、結結構設計涉及到了材料許用值、結構設計思想、結構設計準則、強度理論、設計能力等很多方面。構設計準則、強度理論、設計能力等很多方面。設計許用值定得偏低（設計許用值定得偏低（3500左右）左右）強度大多采用強度大多采用Tsai-Hill準則，層間損傷關注不夠準則，層間損傷關注不夠 損傷容限設計思想，

12、但靜力覆蓋疲勞損傷容限設計思想，但靜力覆蓋疲勞 復合材料復雜結構應力應變場計算不夠精細復合材料復雜結構應力應變場計算不夠精細 局部區域損傷的產生和演變關注不夠局部區域損傷的產生和演變關注不夠192.FRP結構可靠性設計 不確定性來源 固化變形導致強迫裝配固化變形導致強迫裝配 固化過程溫度變化引入內應力固化過程溫度變化引入內應力 制造過程產生的隨機損傷制造過程產生的隨機損傷制造工藝不確定性202.FRP結構可靠性設計 失效模式基體開裂、界面脫膠、纖維斷裂、分層，及多模式耦合基體開裂、界面脫膠、纖維斷裂、分層，及多模式耦合無主裂紋、彌散型微缺陷；無明顯塑性；損傷模式階段性無主裂紋、彌散型微缺陷；無

13、明顯塑性；損傷模式階段性GFRP 0/902S載荷循環數不斷增加212.FRP結構可靠性設計 失效模式 復合材料疲勞損傷模式眾多、機理復雜，但宏觀唯象上看某些力學性復合材料疲勞損傷模式眾多、機理復雜，但宏觀唯象上看某些力學性能存在一定的規律性能存在一定的規律性 FRP材料的疲勞損傷引起的材料剛度下降比較明顯，通過跟蹤結構變材料的疲勞損傷引起的材料剛度下降比較明顯，通過跟蹤結構變形，可以評估結構的疲勞損傷狀況形，可以評估結構的疲勞損傷狀況IIICDSn/N1.001.0II I基體開裂 界面脫膠 分層纖維斷裂Er/E0222.FRP結構可靠性設計 失效模式歸一化歸一化宏宏觀觀歸歸一一化化模模型型

14、模型化模型化 符合損傷演化兩階段的剛度特征符合損傷演化兩階段的剛度特征 壽命分析只需壽命分析只需50%壽命前的信息就夠了壽命前的信息就夠了 參數較少，易于使用參數較少，易于使用rc()11111(0)(0)EE nnnqqEENN 232.FRP結構可靠性設計 可靠性設計 設計許用值許用值在一定的載荷和環境條件下，由試樣、元件或細節件等的試驗數據，經統計分析后確定并具有一定置信度和可靠度的性能表征值。設計許用值為保證整個結構的完整性具有高置信度，在許用值的基礎上，由設計師規定的設計(使用)載荷下的限制值。許用值基本上是客觀的結果，取決于試驗結果。設計許用值帶有主觀性，它不僅與試驗結果有關，也取

15、決于設計師的經驗和判斷。242.FRP結構可靠性設計 可靠性設計 設計許用值結構的拉伸設計許用值主要取決于缺口件的許用值，壓縮設計許用值主要取決于含沖擊損傷的試樣的許用值。薄板(如薄蒙皮、夾芯結構面板等)設計許用值主要取決于屈曲載荷，同時要考慮沖擊損傷的影響。復合材料的設計許用值基準：A基準、B基準、典型值A基準：在95%置信度下，99可靠度的性能數值群的最小值；B基準：在95%置信度下，90可靠度的性能數值群的最小值；典型值：從至少5個試驗件的有效試驗結果中得出的算術平均值。252.FRP結構可靠性設計 可靠性設計設計許用值實例262.FRP結構可靠性設計 可靠性設計飛行器的疲勞載荷的平均水

16、平一般相當于使用載荷(限制載荷)的(6075)%，如果安全系數為1.5，那么疲勞載荷的量級相當于其極限載荷的(4050)%。一次飛行受到的重復載荷的次數一般為50200cycles，10000次飛行大約為106cycles如果按照靜強度控制好結構的應力水平，就不會發生疲勞問題！靜力覆蓋疲勞272.FRP結構可靠性設計 可靠性設計 靜力覆蓋疲勞結論：對于10000次左右飛行，采用B基準和f=1.5，主體結構總體上能夠滿足靜力覆蓋疲勞。復合材料的實際許用應變復合材料的實際許用應變(35005000)meme；復合材料如果沒有可見的復合材料如果沒有可見的沖擊損傷等缺陷，不會發沖擊損傷等缺陷，不會發生

17、疲勞問題；生疲勞問題；濕熱影響小于濕熱影響小于17%。282.FRP結構可靠性設計 可靠性設計 疲勞壽命分析 對于給定鋪層的層合板，其對于給定鋪層的層合板，其E(n/N)曲線的形狀是相同的，也即公式中曲線的形狀是相同的，也即公式中的的和和q是相同的；是相同的；rc()11111(0)(0)EE nnnqqEENN 同類層合板的疲勞壽命是不同的，同類層合板的疲勞壽命是不同的，即公式中的即公式中的N是不同的；是不同的；在實驗室中獲取在實驗室中獲取FRP結構特定區域結構特定區域的的E(n/N)曲線，將曲線，將E(n/N)作為“尺作為“尺子”，依據子”，依據E(n)的實測值“量”剩的實測值“量”剩余壽

18、命余壽命N*=N-n1(E0-Er)/(E0-Erc)n/N0f(n/N0)f(n/N1)f(n/N*)1292.FRP結構可靠性設計 驗證飛機結構飛機結構積木式試驗積木式試驗 工程浩大：時間長、花費多工程浩大：時間長、花費多 軍用運輸機剪裁較少、軍用戰斗機大幅剪裁軍用運輸機剪裁較少、軍用戰斗機大幅剪裁 借用思想，合理規劃驗證試驗借用思想，合理規劃驗證試驗30內容概要1航空結構可靠性要求2復材結構的可靠性設計3葉片復材結構可靠性要素4葉片結構可靠性管理5結束語313.FRP葉片結構可靠性要素 結構設計準則 每個設計準則的內涵 實施方法和途徑 相關試驗數據和實例 形成手冊或指南要求：在保證有足夠

19、的強度、剛度、壽命、可靠性等要求下，使結構重量盡可能輕。結構完整性 強度設計準則（應變準則）穩定性設計準則（限制載荷不失穩、極限載荷不破壞）氣動彈性設計準則（彎扭，）耐久性/損傷容限設計準則（初始缺陷、損傷演化、壽命分析）強度分析模型強度分析模型(規則和要求，準確反映傳力路線規則和要求，準確反映傳力路線)；復合材料強度的校核復合材料強度的校核(破壞準則、逐層、正軸破壞準則、逐層、正軸)；局部振動載荷與總體載荷的聯合作用對強度和疲局部振動載荷與總體載荷的聯合作用對強度和疲勞性能的影響；勞性能的影響；初始損傷的確定及檢查措施。初始損傷的確定及檢查措施。323.FRP葉片結構可靠性要素 結構設計許用

20、值 結構設計許用值考慮了材料、工藝、裝配，疲勞，濕熱、老化，初始損傷、檢測手段和周期等因素；結構的不同部位結構設計許用值不同；復合材料的設計許用值通常是應變值，要考慮拉壓和方向；配套許用值，規定破壞準則（Tsai-Hill,Hoffman,Hashin or?）設計許用值：為保證整個結構的完整性具有給定的置信度，由設計師系統規定的設計(使用)載荷下的限制值。333.FRP葉片結構可靠性要素 載荷環境歷程載荷：葉片結構載荷具有隨機性，但具有統計確定性。對應特定的風場其風載在長周期內具有統計上確定性。環境：溫度、濕度、腐蝕介質在不同的時間和年限有所不同，但也具有統計上的確定性。等效：海上17.7%

21、和陸上10.2%載荷附加系數。designyymaxyyyyminylglg00nnTnnnnnnn 記錄數據信息 統計分析尋找規律 試驗驗證，推廣應用 建立數據庫形成標準343.FRP葉片結構可靠性要素 質量控制飛機結構設計：設計 分析 試驗 試飛實行版本管理制造：材料 工藝 檢測 檢驗實行狀態管理故障：原因 證據 復現 召回實行歸零管理運營：檢測 數據 分析 狀態實行單機管理葉片結構設計：關注危險部位、失效模式、安全裕量制造：了解關鍵部位、缺陷控制、制造偏差故障：定位故障原因、復核產品、監控使用運行：統計載荷規律、健康狀態、壽命管理35內容概要1航空結構可靠性要求2復材結構的可靠性設計3葉

22、片復材結構可靠性要素4葉片結構可靠性管理5結束語364.可靠性管理 思路意外不可避免：意外大載荷、極端環境、認識誤區、模型謬誤、計算錯誤 標準更改標準更改+安全性設計安全性設計+規范化流程規范化流程差異客觀存在：材料、工藝、載荷、環境的不確定性，方法理論的局限性基礎數據基礎數據+可靠性設計可靠性設計+葉片出廠狀態管理葉片出廠狀態管理視情維護科學：經濟性要求、可檢損傷隨機性現實、定期維護無法保安全 運行數據運行數據+風險性評估風險性評估+單機壽命管理單機壽命管理全壽命質量管理是保障葉片運行安全的根本。374.可靠性管理 設計設計是葉片結構可靠性的根本。設計要權衡可靠性和經濟性要求、力學性能和總體

23、性能的關系 葉片結構設計思想：耐久性葉片結構設計思想：耐久性/損傷容限損傷容限 或可靠性設計？可靠性設計？材料性能材料性能 不確定性系數不確定性系數 初始缺陷標準初始缺陷標準 強度、剛度、壽命的設計、分析、驗證強度、剛度、壽命的設計、分析、驗證 使用情況的追蹤管理使用情況的追蹤管理384.可靠性管理 制造制造是葉片結構可靠性的基礎。材料一致性材料一致性 工藝一致性工藝一致性 初始缺陷尺寸及分布、超差處理等狀態情況檔案初始缺陷尺寸及分布、超差處理等狀態情況檔案 葉片參數、檢驗檢測等檔案葉片參數、檢驗檢測等檔案394.可靠性管理 運行探索視情維護運行體制，建設健康檢測系統，建立風險評估方法，實現安

24、全運行。風場環境的檢測、統計、分析風場環境的檢測、統計、分析 狀態監測：根部螺栓力為基礎的載荷方程、設計模型為依據的狀態監測：根部螺栓力為基礎的載荷方程、設計模型為依據的有限元應力應變分布、測量點的載荷方程修正、虛擬運行、狀有限元應力應變分布、測量點的載荷方程修正、虛擬運行、狀態預測、剩余壽命評估態預測、剩余壽命評估 損傷檢測：缺陷演化發展、狀態突變損傷檢測：缺陷演化發展、狀態突變(物理量、圣文南原理物理量、圣文南原理)單機監控單機監控 環境譜、載荷譜、健康管理系統環境譜、載荷譜、健康管理系統40內容概要1航空結構可靠性要求2復材結構的可靠性設計3葉片復材結構可靠性要素4葉片結構可靠性管理5結束語415.結束語 可靠性工程起源于航空航天工業、成熟于航空航天工業、還在不斷完善和發展中，并擴散至其他工業領域；航空結構設計思想變遷、適航規章和GJB更新換版的源動力是重大航空事故；葉片結構可靠性工程也會因現實需求而興旺；可靠性設計很科學但消耗巨大，結合風電現實探索風電葉片的可靠性設計的理論方法和技術途徑很有必要；已有的理論和方法可在風電葉片研制中借鑒，更要結合風電行業的特點探索并建立風電葉片可靠性設計體系。謝 謝！敬請指正！