单闭室复合材料薄壁梁的结构阻尼

    为了最大限度地提高发电功率，降低发电成本，现代风力发电机复合材料叶片的尺寸不断增加。但是，随着叶片尺寸的增加，叶片的刚度明显降低。在周围风场的作用下，不可避免地存在着叶片气动力、惯性力和弹性力间的耦合，进而可能诱发叶片模态之间的耦合振动，导致叶片发生气弹不稳定 － 颤振。近来，有关风力机叶片颤振抑制方法的研究与探索，已经成为现代大型风力机结构动力学研究的一个重要科学问题，日益受到风能工程领域的关注与重视［1 －3］。

    叶片颤振抑制可以采用主动与被动的方法。目前由于主动颤振抑制存在附加控制系统重量与能耗问题，特别是主动控制系统花费过大，势必增加风力发电的成本，因此被动控制方法开始受到关注［2 －3］。研究表明，被动阻尼在改善柔性结构的动力学特性，包括实施有效振动控制、提高疲劳寿命和改善气动弹性稳定性等方面，已经显示出较强的实用性。气弹阻尼作为气动阻尼和结构阻尼的总和，是衡量与控制叶片是否发生颤振的一个基本指标。树脂基纤维复合材料结构由于高分子材料内部晶体的内摩擦以及纤维/基体间的中间阻尼，展示出高结构阻尼特性。此外，复合材料阻尼还能够通过提高组分阻尼、纤维混杂以及设置阻尼层进行调整，以获得理想的被动阻尼效果。复合材料结构阻尼的预测，离不开先进复合材料阻尼理论的指导。近年来，宏/细观阻尼分析理论在复合材料壳、板和实心梁的阻尼研究和设计以及复合材料结构的被动振动控制中，得到了广泛的应用［4］，然而对风力机叶片这种复合材料结构阻尼特性的研究，至今尚不多见。风力机叶片具有闭合截面复合材料薄壁梁的结构特点，这种典型的复合材料结构形式不仅在风力机叶片上采用，在飞机固定机翼和直升机旋翼上也被广泛使用。因此，建立闭合截面复合材料薄壁梁的结构阻尼分析模型，对于评价此类典型复合材料结构的阻尼耗散能力并且据此进行精确结构阻尼设计，以便于建立相应的被动颤振抑制有效方法，具有理论研究价值和工程实用性。

    Suresh 等［5］在不考虑复合材料薄壁箱形梁的结构特点以及截面翘曲变形情况下，采用经典的层合薄板有限单元法进行结构离散，复合材料的阻尼机理采用弹性 － 黏弹性对应原理( 复模量法) 进行描述，分析了边界条件和铺层角对固有频率和结构阻尼的影响。Saravanos 等［6］从空心截面复合材料薄壁梁的几何特性变形特征出发，基于 Rehfied 薄壳位移场方程［7］，提出了一个管状层合复合材料梁的三维有限元阻尼分析模型，其中，复合材料阻尼通过耗散能进行度量，不计薄壁梁拉 － 剪耦合、拉 － 扭耦合和弯 － 扭弹性耦合的作用，得到三种规则截面梁阻尼分析结果。Chortis 等［8］在 Saravanos 等料弹性耦合的影响，采用有限元方法计算了单/双闭室两种翼型截面的复合材料薄壁梁的模态阻尼，并对照实验结果进行了验证。Ramkumar 等［9］分别采用三维梁和层合薄板两种有限元模型，研究薄壁复合材料箱形梁的阻尼特性。结构建模同样也是基于 Rehfied 薄壁梁理论，而复合材料阻尼的描述则采用复模量法并且不考虑薄壁梁扭转翘曲的影响。由于上述阻尼模型所依据的 Rehfield 薄壁梁理论非渐进准确，难以保证横截面刚度特性计算结果一致精确性［10］。