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关键词： 聚酰亚胺   电子束   辐照   应力   改性  

摘要： 聚酰亚胺(PI)薄膜具有十分优异的综合性能,其力学性能优异、拉伸强度可达200 MPa,不仅耐辐照、耐化学腐蚀,还耐高低温、在-260℃～300℃温度范围内可长期使用,因此被广泛应用于航空航天领域。应用于航天器上的聚酰亚胺薄膜在服役过程中,受到空间环境、力学环境等因素的影响,其性能会发生一定程度的退化,为了保证航天器工作可靠性,十分有必要对聚酰亚胺薄膜的辐射损伤行为进行研究。 本文首先以Kapton薄膜为研究对象,深入研究了电子辐照处理后聚酰亚胺的辐射损伤行为;并通过自主设计的实验装置,进一步研究了辐射场/应力场耦合作用下Kapton薄膜性能和结构的变化,深入分析了Kapton薄膜的力学性能、表面形貌和化学结构的演变规律及机制。研究表明,电子束辐照会造成Kapton薄膜力学性能的下降,样品的拉伸强度和断裂伸长率较原始样品分别降低12.83%和37.32%;随着注量的增加,样品表面的缺陷也逐渐增多,表面粗糙度增大,聚酰亚胺内部的化学键会发生断裂和交联效应;在低电子束注量时,主要发生交联反应,高电子束注量时,化学键的断裂效应起主导作用。此外,Kapton薄膜经过辐射场/应力场耦合作用后,与单纯辐照时相比,力学性能进一步下降,拉伸强度和断裂伸长率较原始样品分别降低39.46%和36.99%;并且样品表面产生大量凸起颗粒状缺陷,表面状态进一步劣化。 然后,通过4,4’-亚甲基双(异氰酸苯酯)对氧化石墨烯和碳纳米管进行改性,得到功能化石墨烯(m GO)和功能化碳纳米管(m CNTs),并通过原位聚合法分别制备了不同填料含量的PI/m GO复合薄膜和PI/m CNTs复合薄膜。两种复合薄膜的力学性能均随着填料含量的增加呈现先增大后减小的趋势,PI/m GO复合薄膜在0.5 wt%m GO时力学性能达到最大,拉伸强度和断裂伸长率分别提高20.78%和26.19%;PI/m CNTs薄膜在0.7 wt%m CNTs时力学性能达到最优,拉伸强度和断裂伸长率分别提高31.77%和22.75%。电子束辐照处理后,PI/m GO-0.5薄膜和PI/m CNTs-0.7薄膜也显示出最优的耐辐照性能,辐照处理后PI/m GO-0.5薄膜的拉伸强度和断裂伸长率分别下降18.29%和19.27%,PI/m CNTs-0.7薄膜分别下降15.35%和14.16%,而纯PI薄膜分别下降22.62%和49.86%。 最后,对PI/m CNTs-0.7薄膜和纯PI薄膜进行辐射场/应力场耦合处理。研究结果表明,纯PI薄膜的断裂伸长率降低58.83%,而PI/m CNTs-0.7薄膜只降低36.17%,明显表现出更好的耐辐照性能。此外,与单纯电子束辐照后相比,PI/m CNTs-0.7薄膜经过辐射场/应力场耦合处理后,表面粗糙度增大、表面缺陷增多,C=O键和C-N键含量下降,而更多C-O键、C=N键和C≡N键生成。

关键词： 电力变压器   应力   直流偏磁   有限元   振动噪声  

摘要： 随着我国对电力的需求度日益剧增,电力变压器等电气设备在输电系统中扮演的角色越来越重要,但电力变压器在运行过程中由于铁心硅钢片磁致伸缩的影响,会产生电磁振动,当这种振动通过空气传播到外界时,便引发持续的噪声,这不仅影响人民的身心健康,还会对设备造成损坏。电力变压器工作时铁心会受到夹件的作用力,这会使电力变压器产生的振动噪声发生改变,同时绕组中也会因为直流的流入而产生直流偏磁现象,这不仅会加剧电力变压器的振动噪声,严重时会威胁整个电网的安全运行。为了更加精准的分析和找到有效的减振降噪措施,考虑不同应力及直流偏磁条件下电力变压器振动噪声的研究具有重要意义。本文研究内容主要包括以下几个方面:（1）基于一套标准的硅钢片磁致伸缩测量系统,分别测量分析了取向硅钢片27SQGD090在自然状态、不同应力、不同直流偏磁、不同谐波和不同角度下的磁化曲线、相对磁导率曲线、损耗曲线和磁致伸缩曲线等,为电力变压器振动噪声的有限元分析奠定了基础。（2）通过给定的电力变压器基本参数,对一台10k V/0.4k V、100k VA干式电力变压器电磁部分展开了设计研究,给出了铁心、绕组、短路参数设计过程及具体数据,为电力变压器的有限元分析奠定了基础。（3）基于ANSYS有限元仿真软件对电力变压器的振动特性进行了研究,通过有限元法对三种不同参数下的模型进行计算,同时考虑了自由约束条件及固定约束条件,得到了电力变压器铁心各阶的固有频率和模态振型,并对其分析得出铁心容易产生共振的频段,可以为电力变压器有效避免谐振状态提供有效数据支撑。（4）应用COMSOL有限元软件建立电力变压器三维有限元模型,通过对电磁场、结构力场和声场多物理场耦合计算得到了电力变压器铁心在正常运行和夹件作用压应力为2MPa、4MPa、6MPa以及直流偏磁Udc=1V、2V下的磁密图、振动位移图、应力云图和噪声分布图,对比分析得到了夹件作用的压应力和直流偏磁对电力变压器振动噪声的影响。

关键词： 薄膜   纤维增强   泊松比   杨氏模量   正交椭圆孔   褶皱   抛物柱面   应力  

摘要： 随着空间结构尺寸越来越大,发射成本也越来越昂贵。薄膜天线这种质量轻、可折叠的材料逐渐被广泛应用。传统的空间结构中的薄膜在工作中容易产生一些问题,诸如薄膜材料性能不足,在工作中易破损。而商用的聚酰亚胺薄膜的杨氏模量较低,不足以承受较大的张拉外力,因此,空间薄膜结构的表面刚度普遍较低。另外,由于聚酰亚胺薄膜的泊松比较大,一般为0.35～0.4,使得薄膜在张拉中容易产生褶皱现象等。基于此,本研究完成了对聚酰亚胺薄膜的同质纤维增强工作,对纤维增强得到的聚酰亚胺薄膜的泊松比设计工作,以及对薄膜抗褶皱性能的分析和抛物柱面张拉下的应力分析。传统用于空间结构尤其是天线结构的的薄膜材料多采用美国杜邦公司的Kapton系列的薄膜,但其性能并不足以承受空间环境的严峻考验。为此需要对传统的薄膜材料进行增强,从而得到一种性能更好的薄膜材料。由于同质的聚酰亚胺纤维和聚酰亚胺的薄膜材料相同,在利用纤维对薄膜进行增强后两者结合界面的相容性好,从而使得得到的聚酰亚胺复合膜具有较好的拉伸性能,当每厘米的纤维束达到20束时,复合膜沿着纤维方向的拉伸强度较之纯薄膜提升了203%,杨氏模量也提升了202%。薄膜的泊松比带来薄膜在单向张拉中的褶皱效应是空间薄膜在工作中遇到的问题之一。对于2D材料,泊松比设计可以使得材料呈现出拉胀效应,这种拉胀性恰好能对薄膜的褶皱起到一定的抑制作用。采用正交椭圆孔阵列结构,对复合膜进行泊松比设计,分析得到不同的孔间边界距离下,薄膜的泊松比和杨氏模量随着椭圆孔长轴占长短轴之比的比例变化的规律。泊松比和杨氏模量随着长轴占比增大而不断减小,这种减小由打孔后薄膜中的胞元扭转行为引起。薄膜在抛物柱面张拉中,材料抗褶皱性能和张拉后的应力分布是值得重点关注的部分。对于具有正交椭圆孔阵列形式泊松比设计的带孔复合膜,考察了其在孔间边界距离等于6mm时的抗褶皱性能,以及其在抛物柱面张拉形态下的应力分布和应力集中现象。当椭圆孔逐渐变得尖锐,薄膜对应的的临界屈曲载荷越来越大,相应地,抛物柱面张拉下的应力集中现象也越来越严重。对应于椭圆孔为圆形时和椭圆孔的长轴长度占长短轴长度和之比为98%时的两种薄膜的抗褶皱临界屈曲载荷,后者为前者的2倍。

关键词： 水闸   桩土复合地基   沉降   应力   荷载分担比  

摘要： 软土地基上的水闸,可能会因地基承载力过低而发生过大的不均匀沉降,甚至会危及到工程安全。在水闸软土地基处理中,因桩体增强体加固形成的复合地基具有稳定性高、施工快且容易控制的优点,使其得到广泛应用。但对桩体加固的复合地基桩处理时桩参数的选择上,大多是基于工程经验,并未考虑桩、土与闸室结构的相互作用,仅用上部荷载对桩参数进行选择,可能导致夸大桩的作用造成工程安全。因此,对软土地基中水闸桩基处理时,不同桩参数下的承载特性和桩土与闸室结构共同作用的研究具有重要的工程意义。论文以某一开敞式水闸为研究对象,借助三维有限元分析软件ABAQUS,建立水闸底板与群桩模型、水闸三孔一联闸室与桩土地基的整体模型,对不同桩基处理时的承载特性规律和不同工况下闸室结构的应力应变规律进行分析研究。本文所做工作如下:(1)查阅国内外的相关研究文献,了解复合地基理论、地基处理技术及桩–土–上部结构共同作用现状,并对桩土复合地基的承载力与沉降计算和闸室结构的计算方法进行分析研究。(2)建立水闸底板、垫层与群桩基础的三维模型,对桩基处理时不同桩型、桩径、桩长和桩间距下的竖向承载特性进行分析。研究结果表明:荷载作用下,因桩身模量的差异,水泥搅拌桩表现为桩身的压缩;预制桩因刚度较大表现为对桩端持力层的刺入。根据本文研究水闸地质条件,对于水泥搅拌桩群桩加固的水闸复合地基,一定范围内增大桩径和桩长能有效提高承载性,但桩径大于600mm,桩长大于8m后再增大桩径和桩长效果不再显著。当桩间距大于2d,会因置换率过低,桩身压缩量过大造成桩的作用被削弱,因此,对于柔性桩宜短而密布置。(3)采用上述桩基处理方案,建立三孔一联闸室结构与桩土地基的整体模型,对四种工况下水闸的地基沉降、群桩位移和闸室结构的应力进行分析研究。结果表明通过水泥搅拌桩加固的水闸最大沉降量和最大沉降差均满足规范要求,闸室结构整体保持健康运行。(4)使用复合模量法,假定桩长范围内的土层为均质复合土体,对四种工况下水闸整体进行三维有限元分析,并与原水泥搅拌桩加固的水闸整体进行了对比分析。结果表明两种方法下水闸结构应力差别不大,但闸基土体沉降差距较大,因此在使用复合模量法计算闸基土体沉降时,应合理确定复合土层的模量。

关键词： 变桨轴承   应力分析   应力强度因子   裂纹疲劳扩展  

摘要： 变桨轴承是风力发电机组关键核心部件,运行中滚道产生的早期裂纹继续扩展有可能出现风机振动剧烈、叶片掉落等严重安全事故是大型风电机组变桨轴承设计需要解决的关键问题。以MW级变桨轴承为研究对象,综合应用非线性有限元分析技术和断裂力学理论,开展变桨轴承运行中滚道的应力分析,以及研究裂纹扩展特性具有重要的意义。论文具体研究内容如下:首先,应用非线性弹簧单元等效轴承接触和梁杆单元等效螺栓连接建立变桨轴承整体模型,计算考虑螺栓预紧力的滚道载荷、接触角和椭圆截断角的分布情况,并将其作为子模型的边界条件来分析滚道应力特性。结果显示:较大的椭圆截断使得各项应力陡然增大并集中在滚道边缘,使得该处接触疲劳失效风险提高。然后,在滚道边缘位置插入角裂纹和侧面裂纹两种形式的三维裂纹,基于相互作用积分法分离裂纹前沿的三种类型应力强度因子,分析轴承滚动模式下裂纹前沿应力强度因子的变化,数值结果表明,裂纹在轴承滚动接触载荷下的扩展行为以剪切模式为主。同时,还探究了不同裂纹初始倾斜角、半径、长宽比、深度对应力强度因子的影响。最后,应用Paris公式和最大切应力扩展准则进行裂纹疲劳扩展分析,应用进阶网格划分算法和多项式拟合计算三维裂纹前沿的扩展特性,探究了不同初始倾斜角和不同深度裂纹的疲劳扩展路径和寿命。结果表明,小倾斜角裂纹倾向使轴承滚道材料剥落,大倾斜角裂纹倾向使滚道断裂,深度较大的裂纹则处于比较安全的状态,这为变桨轴承检修提供了指导。

关键词： 大体积混凝土   温度场   湿度场   应力场   徐变  

摘要： 在大体积混凝土构件浇筑的早期阶段,常常会因为温度、湿度荷载影响,在其表面产生许多较浅的裂缝,尽管此类裂缝的出现对构件的承载力损害不大,但是无论大小,开裂后混凝土的透气性增加,抗渗性和抵抗外来有害离子渗透能力显著降低,导致构件较之前更容易发生劣化,从而使其整体性、耐久性、安全性受到威胁。本文基于ANSYS,建立适用于大体积混凝土早期的温度场、湿度场以及应力场有限元模型,采取单向顺序影响的方法应用于实际工程中。主要的研究工作如下: (1)以蓼子特大桥开州岸左侧下转盘配合比制作C40混凝土试块,并对其进行不同龄期下的立方体抗压强度试验、轴心抗压强度试验和静力受压弹性模量试验,将测量成果收集加以整理分析,发现早期的混凝土其各项力学性能指标随着龄期的增加而逐步提高,在7天以前上涨得较快,7天之后上涨速率逐渐减慢,并趋于收敛。利用28天内的立方体抗压强度和弹性模量数据拟合出其与龄期的关系式。 (2)详细说明了大体积混凝土温度场、湿度场、应力场的计算基本原理,为后续温湿力作用效应分析奠定了理论基础,通过试验验证了可以用ANSYS温度场分析模块分析湿度场。基于ANSYS的二次开发平台,使用Fortran语言修改用户子程序USERMAT.F建立徐变本构,对UPFS所需软件进行设置及编译,从而得到对混凝土的徐变应力求解,并通过具体算例验证了其程序的正确性。 (3)描述了混凝土温度场、湿度场以及应力场三场之间是如何进行相互作用的,通过进行各方面考虑,本文对早期混凝土有限元计算采用了温度场-湿度场-应力场单向顺序影响的方法,即为温度场结果影响湿度场及应力场,湿度场结果影响应力场的方法。 (4)根据湿度场基本计算理论与温度场基本计算理论的高度相似性,借助ANSYS温度场分析模块,在全面考虑混凝土自身温度和时间对湿度扩散系数影响的前提下,对早期大体积混凝土的湿度场和干缩应力进行了精确模拟。研究结果表明:混凝土是典型弱导湿复合材料,水分的扩散十分缓慢,仅仅只在距离表面2公分范围内形成了较大的湿度梯度,也正是因为表里湿度梯度的存在导致表层出现拉应力从而导致其出现裂缝。 (5)考虑了以环境温度和环境湿度为单一变量对大体积混凝土的影响,研究结果表明环境温度和环境湿度越高是对大体积混凝土来说是越有益的。 (6)运用开发的子程序和三场单向顺序影响的方法计算实际工程的温度场、湿度场以及应力场,并对其进行分析。

关键词： 岩质边坡   韧性锚固体系   抗剪切大变形   协同演化   应力场   锚固机理  

摘要： 滑坡作为一种重大的地质灾害,对工程建设和人类生命财产安全造成严重威胁。锚杆由于施工简单、支护效果好并能充分调动岩体自身的承载力等在边坡治理工程中得到广泛应用,但面临岩体开挖、高地应力以及岩体的剪切变形破坏等问题时,传统锚杆也表现出变形能力弱、抗剪能力差等缺点。边坡锚固体系演化是岩体-锚杆相互作用的过程,二者具有协同演化的特征,研究锚固体系的协同演化规律,揭示岩体与锚杆的相互作用机理以及锚杆的锚固机理,对于边坡锚固工程具有重要的理论和指导意义。本文以黄登水电站右岸揽机边坡工程为地质背景,提出了一种韧性锚固结构,并对其力学性能进行了研究,同时本文通过构建边坡锚固体系模型,利用室内剪切大变形物理模型试验,分别对岩质边坡-普通锚固体系的协同演化机理以及岩质边坡-韧性锚固体系的协同演化机理进行了深入研究,并进行了对比分析,主要取得如下成果:(1)黄登水电站右岸揽机边坡为一反倾层状结构岩质边坡,在岩体开挖等外界因素扰动下,边坡主要发生倾倒蠕变-剪切滑移等变形破坏。本文以第四级边坡为例,构建了该边坡-锚固体系模型,研究了边坡-锚固体系在剪切变形过程中的协同演化机理。(2)研发了一种抗剪切大变形的韧性锚杆,该韧性锚杆可以在剪切带处与岩体协同剪切变形,并为岩体提供抗剪力;同时该锚杆可以发挥恒阻大变形的作用,为岩体提供锚固力并释放能量。基于材料力学理论提出了该韧性锚杆的锚固力计算方法。通过拉拔试验对韧性相似锚杆的力学性能进行了测试,结果表明,该锚杆具有较好的力学性能,最大阻力可达到5.6k N,轴向位移达到230mm,通过改变杆体材料性质和结构参数可以实现更大的阻力。其工作机理可分为四个阶段:弹性变形阶段、阻力增大阶段、恒阻力阶段和释能阶段,每四个阶段为一个循环,该锚杆可经历多次循环;通过增大钢珠数量和钢珠直径可以增大锚杆的阻力。(3)通过模型试验揭示了岩质边坡-普通锚固体系协同演化机理。结果表明,岩体与锚杆具有应力和变形协同演化的特点,锚固体系水平应力最终呈现“三压两拉”的分布形式,垂向应力呈现“一压两拉”的分布形式。锚固段岩体剪应力沿轴向分布呈现单峰值的形式,剪应力主要分布在锚固段的前2/3长度范围,岩体剪应力沿径向分布也是不均匀的。根据锚杆的应变演化特征将锚杆分为拉弯区、过渡区、弯折区和压弯区,锚杆变形呈现横向的“S”形。锚杆在剪切带处发生拉剪破坏和弯折破坏两种复合破坏形式。在此基础上,揭示了锚杆的锚固机理。(4)通过模型试验揭示了岩质边坡-韧性锚固体系协同演化机理。结果表明,韧性锚杆与岩体具有较强的协同变形特征。韧性锚固体系水平应力呈“三压”的分布形式,应力分布更加均匀;锚固体系垂向应力呈“两压两拉”的分布形式。韧性锚杆在剪切带处与岩体协同变形演化,并充分发挥横向的抗剪作用和轴向的恒阻大变形作用,在多次剪切试验后仍然发挥较强的锚固作用。锚杆的轴力演化分为四个阶段,分别为线性增长阶段、快速增长阶段、稳定阶段和释能阶段。锚固段岩体剪应力沿轴向和径向也非均匀分布,与普通锚杆类似;锚固段锚杆轴力呈指数形式衰减,锚杆-砂浆界面剪应力也基本上呈指数形式衰减。分析了韧性锚杆的锚固机理等。(5)基于锚固体系应力场演化特征、位移分布特征、锚杆轴力演化特征和锚杆的变形破坏模式等对岩质边坡-韧性锚固体系的演化机理和岩质边坡-普通锚固体系的演化机理进行了对比分析。认为韧性锚杆与岩体的变形协同性更强,韧性锚杆的自适应锚固作用,使岩体水平应力分布更加均匀,增强了岩体间的粘结力,锚固体系顶部位移变化量更小,岩体受到的变形扰动较小,韧性锚杆克服了传统锚杆的变形能力弱、抗剪能力差的缺点,在岩体发生多次反复剪切变形后仍然保持较强的锚固作用。本论文有图111幅,表12个,参考文献97篇。

关键词： 双钙钛矿   光电特性   卤素位替换   应力   第一性原理计算  

摘要： 光伏材料通过将光能转化为电能实现碳的零排放,可以有效解决当前社会所面临的环境污染和能源短缺的问题。近年来,以MAPbI3（MA=CH3NH3）为代表的新一代钙钛矿光伏材料因其合适的带隙值（～1.56 e V）、较强的光吸收系数(～10～5 cm-1)和较高的载流子迁移率而备受关注。但由于其含有的铅元素对人体有害,造成了该类材料难以实现商用化应用。研究人员利用碱土金属离子、过渡金属离子及其他二价阳离子对铅元素进行直接替换,以此达到去除毒性的目的,但由于Pb2+中含有的孤对电子对材料的光电性能有显著的影响,因此以直接替换的方式合成的材料性能远低于MAPb I3。本文将主要着眼于使用阳离子劈裂和替换的策略对传统钙钛矿材料进行无铅化改性研究,结合第一性原理计算方法,系统研究了系列双钙钛矿Cs2MM’Br6（M=Cu,Ag,Au;M’=Ga,In,Bi,Sb）的电子结构和光学特性,并通过卤素位替换、施加应力、空位掺杂等方式实现对材料性能的调控。主要研究内容总结如下:双钙钛矿Cs2MM’Br6（M=Cu,Ag,Au;M’=Ga,In,Bi,Sb）均具有良好的稳定性和无毒特性,通过将带隙值、有效质量、光吸收能力等物理量作为衡量指标,筛选出具有优异光电性能的半导体材料Cs2AgInBr6和Cs2AgGaBr6。研究结果表明,Cs2AgInBr6（1.47 e V）和Cs2AgGaBr6（1.37 e V）具有直接带隙的特点,且相较于传统MAPb I3（～1.56 e V）而言,带隙值更接近Shockley-Queisser极限所要求的最优值1.34 e V。同时,两者的能量转化效率分别可达31.9%和32.45%,光吸收系数在可见光范围内均在10～5 cm-1以上。室温下,Cs2AgGaBr6的电子迁移率达到160.8 cm2V-1s-1,这与MAPb I3的165cm2V-1s-1十分接近。以上结果表明,基于阳离子劈裂替换策略设计的无机双钙钛矿材料不但能够有效去除毒性元素,而且拥有优异的光伏特性,是未来具有广阔发展前景的一类光电材料。目前实验上已合成的Cs2AgBiBr6双钙钛矿因间接带隙的特点和较大的禁带宽度而阻碍了在光伏领域的应用。本文提出通过对卤素位Br原子进行I替换实现对光电性能的调控。研究结果表明,Cs2AgBiIxBr6-x（x=0,1,2,3,4,5,6）均具有良好的稳定性,随着I元素掺杂浓度的提高,带隙值逐渐从2.21 e V减小到1.51 e V,有效实现对材料的带隙调控,这很大程度上归因于掺入的I中5p轨道和Ag的4d轨道形成反键态使导带降低,进而减小了带隙值。同时在可见光范围内,光吸收系数相较于Cs2AgBiBr6均得到明显提高;空间群为I4/mmm的Cs2AgBiI2Br4材料其能量转化效率相较于Cs2AgBiBr6而言提高了约2%。最后,对力学性质的研究表明,掺入不同程度的I原子可以对材料的弹性模量进行有效调节。通过对Cs2AgBiBr6进行施加应力和空位掺杂,以期从更多角度实现对双钙钛矿性能调控。研究结果表明,拉伸和压缩应力分别可在Cs2AgBiBr6基础上增大和减小材料带隙值。随着压缩应力增大,空穴有效质量显著减小,极大提高了载流子迁移率。表明应力是调节双钙钛矿Cs2AgBiBr6电子性质的有效手段。同时,空位掺杂使Cs2AgBiBr6发生电子性质转变,由半导体转变为金属。

关键词： 风力发电机组   叶片磨损   挟沙风   载荷   应力  

摘要： 叶片是风力发电机中最主要的受力部件,其性能质量会直接影响到整个发电机组的发电效率与运行维护的安全,因此,对叶片的选材、结构气动外形设计是风力发电机中最关键的技术问题。通常来说,叶片的成本占整体的20%-25%,在我国约有25%的风力发电场处在风沙较为频繁的环境下,恶劣的风沙环境会对风力发电机叶片产生冲蚀磨损作用,使得气动外形受到破坏、风能利用系数降低,甚至会造成整个叶片损毁,机组坍塌等严重后果。内蒙古中西部地区地处常年沙尘暴地带,而风力发电机总装机量常年居于全国首位。本研究内容以内蒙古中西部地区风力发电机组为研究对象,以地区具有代表性的1.5MW风力发电机叶片为原型机,基于相似理论模型,自主设计并使用木芯和玻璃纤维两种叶片材料加工成100W小功率风力发电机叶片,对其进行等效研究。利用课题组设计及制造的气固两相流风沙模拟冲蚀装置,对叶片进行不同类型的模拟风沙环境冲蚀实验,后采取电阻应变片测试法与车载法相结合的方法,在自然环境下实际风况对冲蚀后不同类型的叶片进行了载荷实验研究,得出了叶片表面载荷受力分布规律。根据叶片翼型特点,选取6个截面处的迎风表面作为测试点,在测试点上粘贴电阻应变片对其进行电阻应变片测试,用以测试叶片迎风表面载荷受力;之后,将叶片组成小型发电机组,接入动态应变测试电路,通过车载实验模拟自然风场来流;通过无线动态应变采集仪采集车载实验实时载荷数据,将大量载荷数据等比例缩小,基于比恩法建立数学模型,分析叶片不同冲蚀类型、不同材料、不同测试点的载荷受力规律。结果表明:使用木芯和玻璃纤维两种材料制作的叶片中,玻璃纤维材料叶片是同翼型木芯材料叶片质量的1.5倍;在同样冲蚀磨损条件下,玻璃纤维叶片的磨损率比木芯叶片低1.2%～6%。实验表明,木芯叶片的应力分布规律为两端测试点大于中间测试点,玻璃纤维材料叶片叶根处测试点应力大于叶尖处测试点,两种材料叶片的应力变化规律表现为:随冲蚀磨损作用造成粗糙度的增大而增大。玻璃纤维叶片工作时启动风速更低,且其相对质量大,因此,该材料叶片整体的应力载荷受力比木芯叶片多0.7MPa,两组叶片设计安装角度在桨距角度为23°时功率输出特性最优,此角度的迎风面受风面积最大;而在变桨角度变化的过程中,随着叶片磨损程度的加剧,叶片迎风面的磨损程度越严重,且叶尖处构造相对叶根处更轻薄,因此,长时间受力导致叶片严重受损,甚至出现小面积脱落的情况。最后,本研究针对两种材料叶片在不同磨损状况中,不同测试点受力变化进行分析。叶片受到磨损后,各测试点变化趋势平缓,且玻璃纤维材料更稳定,受磨损影响较小、耐久性能更好。因此,考虑到后期的运行、维护成本,轻木芯材料叶片更适用于小型风力发电机组,而玻璃纤维叶片可被大型风力发电机组广泛应用。

关键词： 工程力学   OBE理念   课程思政   教学改革  

摘要： 工程力学是安全工程专业的一门专业基础必修课程，意在培养学生掌握简单的工程力学抽象与逻辑思维能力，使学生初步具备解决工程实际问题的能力。通过重构工程力学课程教学内容，创新考核方式，建立基于能力获得的课程目标达成度评价机制，借助互联网载体，将具有贵州地方特色的思政元素融入课程等方式，对“OBE理念+课程思政”双融入环境下如何开展工程力学课程教学改革研究进行了初步探索，取得了较好成果，为后续进行审核式评估和工程教育认证打下一定基础。