王曉亮

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長治046011）

風(fēng)機(jī)葉尖涂層抗沖蝕性能數(shù)值模擬

王曉亮

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長治046011）

根據(jù)沖蝕理論以及沖蝕磨損定義，利用ABAQUS軟件建立有限元分析模型。首先數(shù)值模擬同一厚度的涂層在三種風(fēng)蝕環(huán)境中，受到正向和斜向沖擊時的屈服變形，確定最嚴(yán)重的沖蝕環(huán)境，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析不同厚度的涂層在沖擊載荷下的應(yīng)力波動情況，確認(rèn)最優(yōu)涂層厚度。

涂層；有限元模型；沖蝕

風(fēng)能與流動空氣具有的勢能相關(guān)，我國在風(fēng)能方面的利用具有地理優(yōu)勢，對風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也非常重視，截至2016年我國已成為全球風(fēng)電累計裝機(jī)數(shù)量最多的國家。葉片作為風(fēng)電的重要部件，對其使用年限要求在20年以上。但外界環(huán)境溫度、濕度嚴(yán)重影響了其工作性能，尤其是在風(fēng)沙密度較大的環(huán)境，葉尖部位受沙粒的沖擊，會出現(xiàn)老化和沙眼，進(jìn)而破壞基材，降低了發(fā)電效率；目前由于沖蝕完整理論的缺失，對沖蝕磨損的研究集中于在試驗基礎(chǔ)上得出的結(jié)論，其局限于涂層本身材料的研發(fā)，如方丙炎采用電化學(xué)阻抗方法對含鋅鉻黃防銹顏料的環(huán)氧酯濠在35%NaCI溶液中的阻抗譜特征進(jìn)行研究[1]，朱春平經(jīng)過試驗證明葉片涂層的新型材料為聚酯改性丙烯酸樹脂[2]，但對如何利用數(shù)值模擬探測涂膜在沙粒沖擊下的動態(tài)損傷沒有進(jìn)一步研究。本文利用ABAQUS有限元分析軟件模擬葉尖涂層動態(tài)損傷，為改進(jìn)涂裝工藝以及設(shè)計涂層厚度方面的研究提供參考價值。

1 葉片涂層材料

從葉片所處的工作環(huán)境和葉片本身工藝以及抗沖蝕性能方面考慮，涂膜須具有良好的強(qiáng)度和彈性，并且要求葉片在高速旋轉(zhuǎn)時，涂層遇到沙粒沖擊不至于斷裂，因此要求材料須具備一定的延展性，延性能夠反應(yīng)材料在拉應(yīng)力的作用下表線特征，展性能夠反應(yīng)材料在壓縮盈利作用下抵抗斷裂的能力，而塑性越強(qiáng)，材料的延展性越高。

綜合考慮具有彈塑性特征的聚氨酯可作為葉尖涂層的首選材料，其截面結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1所示。

圖1 葉尖截面結(jié)構(gòu)圖

2 建立有限元模型

（1）沖蝕理論

沖擊載荷引起的斷裂屬于動態(tài)斷裂，材料由屈服變形導(dǎo)致的斷裂稱為延性斷裂。根據(jù)Ashby提出的斷裂模式，延性斷裂可分為空穴斷裂、剪切或勁縮模式。在沖擊下的塑性斷裂產(chǎn)生明顯屈服，是在頸縮中的斷裂。這種斷裂與材料發(fā)生屈服以及由于屈服應(yīng)力引起的應(yīng)變率有關(guān)。

根據(jù)屈服效應(yīng)斷裂理論，涂層屈服效應(yīng)過程可表現(xiàn)為：涂層在沙粒沖擊的作用下，發(fā)生局部塑性變形，形成局部勁縮或剪切帶，在短暫時間的強(qiáng)載荷持續(xù)作用下，最終導(dǎo)致涂層進(jìn)一步勁縮，導(dǎo)致橫截面積變?yōu)榱?。在沖蝕過程中涂層材料應(yīng)變率引起的斷裂表現(xiàn)為：沙粒加載速率增大，導(dǎo)致應(yīng)變率增大，屈服應(yīng)力相應(yīng)地提高，涂層塑性變形區(qū)縮小，從而導(dǎo)致材料脆化，局部斷裂呈現(xiàn)脆性。

（2）模型假設(shè)

沖擊載荷具有時間短，速率快的特征，材料在其作用下有兩種磨損方式，分別為沖蝕磨損和沖擊疲勞磨損。大于三次沖擊引起的磨損屬于疲勞磨損，不屬于沖蝕磨損的研究范圍。

沖蝕過程中假設(shè)沙粒主要成分為二氧化硅，且將其約束為不可變形的剛體，半徑為0.1 mm，引入碰撞有效區(qū)域概念[3]，即沖擊載體在沖擊載荷直徑以外的區(qū)域不受沖蝕行為影響，簡化聚氨酯涂層截面為半圓形，半徑為0.4 mm，厚度為3～4.5 mm，物性參數(shù)如表1、表2所示。

表1 沙?；疚镄詤?shù)

表2 聚氨酯基本物性參數(shù)

（3）有限元模型

根據(jù)沖蝕磨損的定義范圍，三次以內(nèi)的沖擊屬于沖蝕磨損，對葉尖涂層模型進(jìn)行施加約束，即涂層與沙粒的接觸面中，涂層為從動面，沙粒為主動面，并且涂層模型以70 m/s的速度在X方向進(jìn)行加載，三個沙粒模型則以額定風(fēng)速15 m/s，切出風(fēng)速30 m/s，極限風(fēng)速50 m/s分別對既定厚度涂層加以正面沖擊和與涂層運動方向呈45°角的斜面沖擊。在ABAQUS軟件中建立如下圖2所示有限元模型。

圖2 沖蝕磨損有限元模型

3 既定厚度涂層沖蝕磨損區(qū)域結(jié)果分析

（1）根據(jù)在額定風(fēng)速下，涂層分別受到正向和斜向載荷下的數(shù)值模擬，得到涂層在兩種載荷沖蝕磨損下的屈服變形如圖3所示。

圖3 屈服變形對比

通過圖3對比可知，涂層有限元模型在受到正面載荷的沖擊時，發(fā)生屈服單元的數(shù)量明顯多于斜向載荷沖擊時屈服單元的數(shù)量，且葉尖涂層在受到正面沖擊后，中央?yún)^(qū)域表面發(fā)生褶皺，中央截面出現(xiàn)輕微波浪變形帶，其中在沙粒撞擊的直接區(qū)域，形成沖蝕坑，初步確定正向沖擊方式對涂層中央截面帶形成了不同程度的脆性斷裂損傷。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，為進(jìn)一步確定涂層受沖蝕磨損最嚴(yán)重的風(fēng)速環(huán)境，繪制正向沖擊加載方式下在三種風(fēng)速環(huán)境中，中央同一單元達(dá)到穩(wěn)定區(qū)服值所用時間曲線。

由圖4可知風(fēng)速與屈服所用呈反比關(guān)系，風(fēng)速較大的工作環(huán)境中葉尖涂層易快速發(fā)生塑性變形，由此可探測涂層微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服變形的主導(dǎo)因素為風(fēng)速環(huán)境。

圖4 風(fēng)速與達(dá)到屈服值所用時間

確認(rèn)風(fēng)速為屈服變形主導(dǎo)因素后，利用ABAQUS屈服應(yīng)力場輸出組對比極限風(fēng)速環(huán)境下，涂層模型在受到兩種沖擊載荷后的屈服變形。

由圖5可知在極限風(fēng)速環(huán)境中，兩種模型均呈現(xiàn)不同程度單元缺失，即發(fā)生脆性斷裂，其中正向沖擊中，涂層有效區(qū)域的邊緣部分已整體缺失。

圖5 兩種風(fēng)速環(huán)境下屈服單元分布

進(jìn)一步統(tǒng)計應(yīng)力場輸出數(shù)據(jù)可知斜向沖擊中，屈服單元數(shù)量為3 448個，正向載荷沖擊時屈服單元數(shù)量最多為5 125個。因此從加載方式和風(fēng)速環(huán)境方面考慮，可確定葉尖涂層受沖蝕磨損最嚴(yán)重的環(huán)境為在極限風(fēng)速下受到沙粒的正面沖擊。

4 涂層厚度選擇

通過數(shù)值模擬確認(rèn)了最嚴(yán)重的沖蝕環(huán)境后，在原有限元模型的基礎(chǔ)上，改變涂層厚度（3 mm，4 mm，5 mm，6 mm），根據(jù)沖擊載荷的體積效應(yīng)，利用ABAQUS中result---history output----ALLSE Elastic strain energy，繪制應(yīng)變能與涂層厚度曲線，如圖6所示。

圖6 應(yīng)變能與涂層厚度曲線

隨著涂層厚度增大，體積增大由上圖可知，應(yīng)變能隨涂層厚度增大，呈現(xiàn)減小趨勢，與沖擊載荷體積效應(yīng)理論相符[4]。

為進(jìn)一步確認(rèn)最有涂層厚度，根據(jù)沖擊載荷大小隨時間快速變化，受沖擊單元質(zhì)點的應(yīng)力隨時間快速響應(yīng)，在相鄰單元應(yīng)力差的作用下形成應(yīng)力波，在傳播過程中在材料表面加速形成裂紋并最終導(dǎo)致材料斷裂。因此可選取不同厚度涂層，選取中央截面區(qū)域質(zhì)點繪制其在最嚴(yán)重的風(fēng)蝕環(huán)境中的Mises應(yīng)力分布曲線反應(yīng)應(yīng)力差值，確認(rèn)最優(yōu)涂層。

圖7不同厚度涂層模型中央截面質(zhì)點均出現(xiàn)應(yīng)力波，與沖擊載荷引起的應(yīng)力波斷裂理論相符[5]，其中3 mm厚度涂層達(dá)到屈服值的質(zhì)點最多，3.5 mm涂層的應(yīng)力波動性最小。

圖7 不同涂層厚度中的應(yīng)力波

由圖6中可以看出3.5 mm厚度涂層應(yīng)力波動最小，引起動態(tài)斷裂的可能性最小，因此確認(rèn)3.5 mm厚度涂層為最優(yōu)厚度涂層。

5 結(jié)束語

本文利用數(shù)值模擬方法，從加載方式和風(fēng)速方面確認(rèn)了涂層在極限風(fēng)速中受到正向載荷沖擊時，沖蝕磨損最為嚴(yán)重；從應(yīng)力波動性以及應(yīng)變能集中程度方面確認(rèn)了涂層的最優(yōu)厚度為3.5 mm.

[1]方丙炎，韓恩厚，朱自勇.老化溫度和老化時間對環(huán)氧酯漆涂層性能的影響[J].金屬學(xué)報，2003，39（5）：26-28.

[2]朱春平，周甦，張軍.聚氨酯風(fēng)電葉片涂料的配方研究[J].涂料工業(yè)，2012，42（2）：119-123.

[3]I.Finnie，The mechanism of erosion of ductile metals，Pro ceedings of the Third National Congress on Applied Mechan ics[J].New York，1958，527-532.

[4]董剛，張九淵.固體粒子沖蝕磨損研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2003，21（2）：307-311.

[5]賈艷華.風(fēng)機(jī)葉片涂層微觀結(jié)構(gòu)與動態(tài)力學(xué)性能研究[J].海洋和重防腐涂料與涂裝，2010，25（07）：36-40.

Numerical Simulation of Anti-erosion Performance of Fan Tip Coating

WANG Xiao-liang
（Shanxi Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Changzhi Shanxi 046011）

According to the erosion theory and the definition of erosion wear，the finite element analysis model is established by ABAQUS software.First，the same thickness of the coating in three kinds of wind erosion environment is simulated by the forward and oblique impact of the yield deformation to determine the most serious erosion environment，on the basis of this，the stress fluctuation of the coating with different thickness under the impact load is further analyzed，and the optimum coating thickness is confirmed.

coating；finite element model；erosion

TH145

A

1672-545X（2017）03-0184-03

2016-12-08

王曉亮（1986-），男，山西長治人，碩士，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計。