孙双双，丁钟宇，武 丹

(青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛266061)

基金项目：(山东省自然科学基金资助项目(ZR2014AL011)；山东省高等学校科技计划项目(J13LB08)；青岛市科技发展计划项目(13-1-4-150-jch))

作者简介：孙双双（1971—），女，教授，博士,主要从事复合材料结构及智能材料与结构的力学性能研究,sunkira2011@163.com.

摘要：在考虑结构几何非线性、形状记忆合金（SMA）相变特性和材料非线性的基础上，利用有限元法研究了内嵌SMA纤维的复合材料变截面结构的非线性静力学响应，并与几何线性情况下的结果进行了比较。研究发现，SMA复合材料变截面结构加载时的位移-载荷曲线与卸载时的不重合，二者形成了封闭的滞后环，而且由几何非线性分析得到的滞后环面积比由几何线性分析得到的小。此外，由几何非线性分析得到的SMA纤维的应力-应变伪弹性滞后环面积、最大马氏体含量都比几何线性分析的结果小得多。该研究可为SMA用于大变形结构被动控制奠定理论基础。

关键词：形状记忆合金；复合材料变截面结构；非线性有限元分析；静力学响应

中图分类号：TB381   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)04-0012-06

风力机叶片是将风能转换成电能的关键部件，其对风电系统的安全可靠工作起着重要作用。为降低发电成本，风力机叶片逐渐向大型化、轻质化、柔性化方向发展，导致叶片在重力、气动力、惯性力等载荷作用下极易产生较大变形，呈现出几何非线性，严重影响其安装和使用［1］。

借助于航空航天领域“智能材料与结构”［2］的概念，将智能材料用作传感器、驱动器、控制器等安装在风力机叶片中所构成的“智能叶片”［3-4］，因具有自适应、自调节、自控制等功能，为风力机叶片变形及振动控制提供了新思路，成为国内外学者近年来研究的热点［5］。如：KIM等［6］将光纤光栅传感器嵌入到风力机叶片中进行了叶片静态和动态特性测试。CHOI等［7］将光纤光栅传感器安装在叶片抗剪腹板内，利用测得的应力来计算叶尖挠度。刘姝等［8］利用压电材料制成的智能驱动器和传感器，实现对风力机叶片振动主动控制。乔印虎等［9］设计了内嵌压电纤维的智能风力机复合材料叶片，并对智能叶片进行了振动主动控制研究。杜向红［10］将风力机叶片简化为等截面细长薄壁梁，并将形状记忆合金（shape memory alloys，SMA）纤维埋入薄壁梁，研究了温度激励下SMA纤维对于薄壁梁变形特性及自由振动特性的影响规律。

目前，基于智能材料对风力机叶片的变形和振动进行控制的研究大多限于主动控制方式，而且理论建模时基本都将风力机叶片简化为等截面梁。由于对风力机叶片进行主动控制时需要外加能源或附加主动控制装置，且利用SMA对其进行主动控制时还存在响应速度慢等缺点，因此本文在前期研究［11-12］的基础上，将风力机叶片简化为复合材料变截面结构，利用SMA的伪弹耗能特性对风力机叶片的静变形进行被动控制研究。理论建模时不仅考虑了SMA的相变特性及材料非线性，而且还考虑了复合材料结构变形的几何非线性。