1 姚卫星-风电叶片复合材料结构可靠性设计方法与实施途径.pdf

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1、1从航空技术视角看风电叶片复合材料结构可靠性设计方法与实施途径姚卫星南京航空航天大学第18届再生能源学术大会 20230402 南京2内容概要1航空结构可靠性要求2复材结构的可靠性设计3叶片复材结构可靠性要素4叶片结构可靠性管理5结束语31.可靠性要求 名词术语 定义可靠性：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。可靠度：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。(1)规定条件下的可比性 三个规定。三个规定。(2)时间质量指标 原始质量与不同时间的质量。原始质量与不同时间的质量。(3)统计、抽样特性 整批产品的可靠性是通过抽样统计得到的。评定指标：可靠度值和置信整批产品的可靠

2、性是通过抽样统计得到的。评定指标：可靠度值和置信度值。度值。41.可靠性要求 名词术语 容易混淆的术语可靠性 产品在规定的条件下，在规定的时间内，完成规定功能的能力。以可靠度度量。安全性 建立一种环境，使人们在这种环境下生活与工作感受到的危害或危险是已知的、清楚的，并且是可控制在可接受的水平上。以安全度度量。风险性 风险性以风险值度量。它是事故发生概率和该事故的后果的乘积。51.可靠性要求 名词术语 可靠性设计现实与可能(1)物理性不确定性 与物理量直接相关的不确定性，与时间有关。(2)统计性不确定性 由于样本容量有限而产生的不确定性。(3)模型性不确定性 由建模时简化、假设、物理机制的不明等

3、原因造成的不确定性客观存在产品可靠性要求，分析、计算、试验等技术为可靠性设计提供了可能61.可靠性要求 指定性文件 飞行器结构设计基本要求在保证有足够的强度、刚度、寿命、可靠性等要求下，使结构重量尽可能轻。飞行器结构重量减轻1%可使飞行器总重量降低3%5%，油耗可减少3%4%飞行器结构设计信条1克重量贵于1克黄金，为减轻每一克重量而奋斗！71.可靠性要求 指定性文件 飞行器结构设计准则体系结构完整性设计准则刚度设计准则强度设计准则安全寿命设计准则损伤容限设计准则可靠性设计准则环境适应性设计准则耐久性设计准则81.可靠性要求 指定性文件 军用飞机强度规范的演变(GJB 775A-2012)1 崔

4、德刚等崔德刚等.飞机结构疲劳与结构完整性发展飞机结构疲劳与结构完整性发展综述综述.doi:10.7527/S1000-6893.2020.2439491.可靠性要求 指定性文件 军用飞机强度设计与验证的规范架构(611所)2 张立新等张立新等.先进战斗机强度设计技术发展先进战斗机强度设计技术发展与实践与实践.航空学报，航空学报，2020,41(6):52348010内容概要1航空结构可靠性要求2复材结构的可靠性设计3叶片复材结构可靠性要素4叶片结构可靠性管理5结束语112.FRP结构可靠性设计 结构完整性 结构强度的基本要义是要解决载结构强度的基本要义是要解决载荷、环境、时间三个要素下结构荷、

5、环境、时间三个要素下结构的完整性评估问题的完整性评估问题 强度、刚度和寿命是结构设计的强度、刚度和寿命是结构设计的根本要求根本要求 理论、数值、试验是性能评估的理论、数值、试验是性能评估的基本方法基本方法 环境因素作为影响材料性能的一环境因素作为影响材料性能的一个参量处理个参量处理 强度 刚度 寿命 理论分析理论分析 数值仿真数值仿真 试验研究试验研究结构完整性 材料性能 应力腐蚀 蠕变松弛环境 腐蚀疲劳 老化 流变时间 准静态 循环载荷 振动冲击力122.FRP结构可靠性设计 可靠性要求飞行器结构的可靠性指标目前还没有明确的指标，下面是一些曾经用过的指标类别情况设计考虑指标1有人飞行器危及飞

6、行安全的关键结构A基准值多路传力结构0.962有人飞行器，不直接影响飞行安全无人飞行器重要结构B基准值有人机多路传力结构无人机单路传力结构0.943其他结构B基准值无人机的安全系数(不确定性系数)可取1.21.30.92132.FRP结构可靠性设计 可靠性要求结构可靠性分析十分繁琐，工作量巨大，目前的做法：将可靠性指标转为安全系数（不确定性系数）传统安全系数 f：可靠性安全系数载荷分布强度分布安全系数f 与R和S分布的关系其中可靠性指标为142.FRP结构可靠性设计 不确定性来源任何一个复合材料结构在其服役过程中均存在各种不确定性：任何一个复合材料结构在其服役过程中均存在各种不确定性：载荷环境

7、：飞行器服役载荷大小和历程都是随机不确定的，服役环境飞行器服役载荷大小和历程都是随机不确定的，服役环境不断变化的不断变化的材料属性：FRP材料的弹性模量、强度极限、缺陷分布、疲劳寿命、材料的弹性模量、强度极限、缺陷分布、疲劳寿命、内应力分布等属性具有随机不确定性内应力分布等属性具有随机不确定性设计知识：FRP结构设计依赖的设计理论、设计准则很大程度上是经结构设计依赖的设计理论、设计准则很大程度上是经验总结，其正确性和精确性还在持续提高中验总结，其正确性和精确性还在持续提高中制造工艺：制造工艺、成形参数、装配过程等可以控制在一定的变动制造工艺、成形参数、装配过程等可以控制在一定的变动范围内范围内

8、152.FRP结构可靠性设计 不确定性来源环境差异性：环境存在机群差异性和单机的差异性，用于强度设计的环境环境存在机群差异性和单机的差异性，用于强度设计的环境是外包络，用于寿命设计和评估的载荷环境是中值。是外包络，用于寿命设计和评估的载荷环境是中值。温度温度/湿度湿度/%平衡吸湿量平衡吸湿量/%401007568321.210.021.030.070.740.030.330.02601007568321.260.011.10.030.750.030.290.02玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料T300/5208单向复合材料单向复合材料吸湿率吸湿率%温度温度ExGPa

9、X+MPaX-MPa0.5-28184152016170.522181150015001.012216814121060湿热环境具有天然分散性湿热环境具有天然分散性FRP结构寿命分散性大结构寿命分散性大162.FRP结构可靠性设计 不确定性来源载荷差异性：载荷存在机群差异性和单机的差异性，用于强度设计的载荷载荷存在机群差异性和单机的差异性，用于强度设计的载荷是外包络，用于寿命设计和评估的载荷是中值。是外包络，用于寿命设计和评估的载荷是中值。安全要求：飞行器结构寿命评估过于保守，极小概率下才可能失效飞行器结构寿命评估过于保守，极小概率下才可能失效实践结果：对特定的飞机，不能充分使用结构的固有寿命

10、，造成浪费对特定的飞机，不能充分使用结构的固有寿命，造成浪费巡航下降爬升172.FRP结构可靠性设计 不确定性来源损伤：FRP结构的随机损伤是固有的结构的随机损伤是固有的强度：强度、刚度、寿命等力学性能具有随机性，且分散性较大强度、刚度、寿命等力学性能具有随机性，且分散性较大材料不均匀性来源：纤维表面缺陷或不直；树脂固化不足；纤维表面缺陷或不直；树脂固化不足；贫脂或富脂；基体中含孔隙、气泡或夹贫脂或富脂；基体中含孔隙、气泡或夹杂；固化过程中残余应力造成的基体微杂；固化过程中残余应力造成的基体微裂纹等裂纹等分布：慨括为局部纤维断裂、局部基体中微裂慨括为局部纤维断裂、局部基体中微裂纹以及局部层间分

11、层三类型损伤多点存纹以及局部层间分层三类型损伤多点存在，随机分布。在，随机分布。描述：建立相关的连续初始损伤场，得到各个建立相关的连续初始损伤场，得到各个材料点含损伤材料本构。材料点含损伤材料本构。182.FRP结构可靠性设计 不确定性来源设计知识不完备：FRP结构设计涉及到了材料许用值、结构设计思想、结结构设计涉及到了材料许用值、结构设计思想、结构设计准则、强度理论、设计能力等很多方面。构设计准则、强度理论、设计能力等很多方面。设计许用值定得偏低（设计许用值定得偏低（3500左右）左右）强度大多采用强度大多采用Tsai-Hill准则，层间损伤关注不够准则，层间损伤关注不够 损伤容限设计思想，

12、但静力覆盖疲劳损伤容限设计思想，但静力覆盖疲劳 复合材料复杂结构应力应变场计算不够精细复合材料复杂结构应力应变场计算不够精细 局部区域损伤的产生和演变关注不够局部区域损伤的产生和演变关注不够192.FRP结构可靠性设计 不确定性来源 固化变形导致强迫装配固化变形导致强迫装配 固化过程温度变化引入内应力固化过程温度变化引入内应力 制造过程产生的随机损伤制造过程产生的随机损伤制造工艺不确定性202.FRP结构可靠性设计 失效模式基体开裂、界面脱胶、纤维断裂、分层，及多模式耦合基体开裂、界面脱胶、纤维断裂、分层，及多模式耦合无主裂纹、弥散型微缺陷；无明显塑性；损伤模式阶段性无主裂纹、弥散型微缺陷；无

13、明显塑性；损伤模式阶段性GFRP 0/902S载荷循环数不断增加212.FRP结构可靠性设计 失效模式 复合材料疲劳损伤模式众多、机理复杂，但宏观唯象上看某些力学性复合材料疲劳损伤模式众多、机理复杂，但宏观唯象上看某些力学性能存在一定的规律性能存在一定的规律性 FRP材料的疲劳损伤引起的材料刚度下降比较明显，通过跟踪结构变材料的疲劳损伤引起的材料刚度下降比较明显，通过跟踪结构变形，可以评估结构的疲劳损伤状况形，可以评估结构的疲劳损伤状况IIICDSn/N1.001.0II I基体开裂 界面脱胶 分层纤维断裂Er/E0222.FRP结构可靠性设计 失效模式归一化归一化宏宏观观归归一一化化模模型型

14、模型化模型化 符合损伤演化两阶段的刚度特征符合损伤演化两阶段的刚度特征 寿命分析只需寿命分析只需50%寿命前的信息就够了寿命前的信息就够了 参数较少，易于使用参数较少，易于使用rc()11111(0)(0)EE nnnqqEENN 232.FRP结构可靠性设计 可靠性设计 设计许用值许用值在一定的载荷和环境条件下，由试样、元件或细节件等的试验数据，经统计分析后确定并具有一定置信度和可靠度的性能表征值。设计许用值为保证整个结构的完整性具有高置信度，在许用值的基础上，由设计师规定的设计(使用)载荷下的限制值。许用值基本上是客观的结果，取决于试验结果。设计许用值带有主观性，它不仅与试验结果有关，也取

15、决于设计师的经验和判断。242.FRP结构可靠性设计 可靠性设计 设计许用值结构的拉伸设计许用值主要取决于缺口件的许用值，压缩设计许用值主要取决于含冲击损伤的试样的许用值。薄板(如薄蒙皮、夹芯结构面板等)设计许用值主要取决于屈曲载荷，同时要考虑冲击损伤的影响。复合材料的设计许用值基准：A基准、B基准、典型值A基准：在95%置信度下，99可靠度的性能数值群的最小值；B基准：在95%置信度下，90可靠度的性能数值群的最小值；典型值：从至少5个试验件的有效试验结果中得出的算术平均值。252.FRP结构可靠性设计 可靠性设计设计许用值实例262.FRP结构可靠性设计 可靠性设计飞行器的疲劳载荷的平均水

16、平一般相当于使用载荷(限制载荷)的(6075)%，如果安全系数为1.5，那么疲劳载荷的量级相当于其极限载荷的(4050)%。一次飞行受到的重复载荷的次数一般为50200cycles，10000次飞行大约为106cycles如果按照静强度控制好结构的应力水平，就不会发生疲劳问题！静力覆盖疲劳272.FRP结构可靠性设计 可靠性设计 静力覆盖疲劳结论：对于10000次左右飞行，采用B基准和f=1.5，主体结构总体上能够满足静力覆盖疲劳。复合材料的实际许用应变复合材料的实际许用应变(35005000)meme；复合材料如果没有可见的复合材料如果没有可见的冲击损伤等缺陷，不会发冲击损伤等缺陷，不会发生

17、疲劳问题；生疲劳问题；湿热影响小于湿热影响小于17%。282.FRP结构可靠性设计 可靠性设计 疲劳寿命分析 对于给定铺层的层合板，其对于给定铺层的层合板，其E(n/N)曲线的形状是相同的，也即公式中曲线的形状是相同的，也即公式中的的和和q是相同的；是相同的；rc()11111(0)(0)EE nnnqqEENN 同类层合板的疲劳寿命是不同的，同类层合板的疲劳寿命是不同的，即公式中的即公式中的N是不同的；是不同的；在实验室中获取在实验室中获取FRP结构特定区域结构特定区域的的E(n/N)曲线，将曲线，将E(n/N)作为“尺作为“尺子”，依据子”，依据E(n)的实测值“量”剩的实测值“量”剩余寿

18、命余寿命N*=N-n1(E0-Er)/(E0-Erc)n/N0f(n/N0)f(n/N1)f(n/N*)1292.FRP结构可靠性设计 验证飞机结构飞机结构积木式试验积木式试验 工程浩大：时间长、花费多工程浩大：时间长、花费多 军用运输机剪裁较少、军用战斗机大幅剪裁军用运输机剪裁较少、军用战斗机大幅剪裁 借用思想，合理规划验证试验借用思想，合理规划验证试验30内容概要1航空结构可靠性要求2复材结构的可靠性设计3叶片复材结构可靠性要素4叶片结构可靠性管理5结束语313.FRP叶片结构可靠性要素 结构设计准则 每个设计准则的内涵 实施方法和途径 相关试验数据和实例 形成手册或指南要求：在保证有足够

19、的强度、刚度、寿命、可靠性等要求下，使结构重量尽可能轻。结构完整性 强度设计准则（应变准则）稳定性设计准则（限制载荷不失稳、极限载荷不破坏）气动弹性设计准则（弯扭，）耐久性/损伤容限设计准则（初始缺陷、损伤演化、寿命分析）强度分析模型强度分析模型(规则和要求，准确反映传力路线规则和要求，准确反映传力路线)；复合材料强度的校核复合材料强度的校核(破坏准则、逐层、正轴破坏准则、逐层、正轴)；局部振动载荷与总体载荷的联合作用对强度和疲局部振动载荷与总体载荷的联合作用对强度和疲劳性能的影响；劳性能的影响；初始损伤的确定及检查措施。初始损伤的确定及检查措施。323.FRP叶片结构可靠性要素 结构设计许用

20、值 结构设计许用值考虑了材料、工艺、装配，疲劳，湿热、老化，初始损伤、检测手段和周期等因素；结构的不同部位结构设计许用值不同；复合材料的设计许用值通常是应变值，要考虑拉压和方向；配套许用值，规定破坏准则（Tsai-Hill,Hoffman,Hashin or?）设计许用值：为保证整个结构的完整性具有给定的置信度，由设计师系统规定的设计(使用)载荷下的限制值。333.FRP叶片结构可靠性要素 载荷环境历程载荷：叶片结构载荷具有随机性，但具有统计确定性。对应特定的风场其风载在长周期内具有统计上确定性。环境：温度、湿度、腐蚀介质在不同的时间和年限有所不同，但也具有统计上的确定性。等效：海上17.7%

21、和陆上10.2%载荷附加系数。designyymaxyyyyminylglg00nnTnnnnnnn 记录数据信息 统计分析寻找规律 试验验证，推广应用 建立数据库形成标准343.FRP叶片结构可靠性要素 质量控制飞机结构设计：设计 分析 试验 试飞实行版本管理制造：材料 工艺 检测 检验实行状态管理故障：原因 证据 复现 召回实行归零管理运营：检测 数据 分析 状态实行单机管理叶片结构设计：关注危险部位、失效模式、安全裕量制造：了解关键部位、缺陷控制、制造偏差故障：定位故障原因、复核产品、监控使用运行：统计载荷规律、健康状态、寿命管理35内容概要1航空结构可靠性要求2复材结构的可靠性设计3叶

22、片复材结构可靠性要素4叶片结构可靠性管理5结束语364.可靠性管理 思路意外不可避免：意外大载荷、极端环境、认识误区、模型谬误、计算错误 标准更改标准更改+安全性设计安全性设计+规范化流程规范化流程差异客观存在：材料、工艺、载荷、环境的不确定性，方法理论的局限性基础数据基础数据+可靠性设计可靠性设计+叶片出厂状态管理叶片出厂状态管理视情维护科学：经济性要求、可检损伤随机性现实、定期维护无法保安全 运行数据运行数据+风险性评估风险性评估+单机寿命管理单机寿命管理全寿命质量管理是保障叶片运行安全的根本。374.可靠性管理 设计设计是叶片结构可靠性的根本。设计要权衡可靠性和经济性要求、力学性能和总体

23、性能的关系 叶片结构设计思想：耐久性叶片结构设计思想：耐久性/损伤容限损伤容限 或可靠性设计？可靠性设计？材料性能材料性能 不确定性系数不确定性系数 初始缺陷标准初始缺陷标准 强度、刚度、寿命的设计、分析、验证强度、刚度、寿命的设计、分析、验证 使用情况的追踪管理使用情况的追踪管理384.可靠性管理 制造制造是叶片结构可靠性的基础。材料一致性材料一致性 工艺一致性工艺一致性 初始缺陷尺寸及分布、超差处理等状态情况档案初始缺陷尺寸及分布、超差处理等状态情况档案 叶片参数、检验检测等档案叶片参数、检验检测等档案394.可靠性管理 运行探索视情维护运行体制，建设健康检测系统，建立风险评估方法，实现安

24、全运行。风场环境的检测、统计、分析风场环境的检测、统计、分析 状态监测：根部螺栓力为基础的载荷方程、设计模型为依据的状态监测：根部螺栓力为基础的载荷方程、设计模型为依据的有限元应力应变分布、测量点的载荷方程修正、虚拟运行、状有限元应力应变分布、测量点的载荷方程修正、虚拟运行、状态预测、剩余寿命评估态预测、剩余寿命评估 损伤检测：缺陷演化发展、状态突变损伤检测：缺陷演化发展、状态突变(物理量、圣文南原理物理量、圣文南原理)单机监控单机监控 环境谱、载荷谱、健康管理系统环境谱、载荷谱、健康管理系统40内容概要1航空结构可靠性要求2复材结构的可靠性设计3叶片复材结构可靠性要素4叶片结构可靠性管理5结束语415.结束语 可靠性工程起源于航空航天工业、成熟于航空航天工业、还在不断完善和发展中，并扩散至其他工业领域；航空结构设计思想变迁、适航规章和GJB更新换版的源动力是重大航空事故；叶片结构可靠性工程也会因现实需求而兴旺；可靠性设计很科学但消耗巨大，结合风电现实探索风电叶片的可靠性设计的理论方法和技术途径很有必要；已有的理论和方法可在风电叶片研制中借鉴，更要结合风电行业的特点探索并建立风电叶片可靠性设计体系。谢 谢！敬请指正！