静强度分析

静强度研究是飞行器结构强度学科中最早形成的也是最基本的一个方面，又称结构静力研究，包括静强度分析和静强度试验（又称静力试验）。

结构物的静强度分析。就是明确结构物的形状、尺寸和重量分布，根据任务概况中各阶段的运行条件和环境条件，推算出结构物所受的最大载荷．对于飞机来说，要根据适航性基准，确定运动载荷、阵风载荷、‘地上载荷、发动机载荷和增压载荷等的计算方法。据此计算出主翼、机身和尾翼等各部分结构的载荷，再进一步应用有限元法或结构力学、材料力学或断裂力学求出各构件应力最大的断面或部位的应力。

根据应力最大断面或部位所承受的载荷求出应力分布，再找出包括制造和劣化等影响在内的材料强度的分布，即可应用所谓应力-强度模型或干涉理论方法，求得结构的可靠度。^[1]

静强度分析包括下面几个方面的工作。

校核结构的承载能力是否满足强度设计的要求，若强度过剩较多，可以减小结构承力件尺寸。对于带裂纹的结构，由于裂纹尖端存在奇异的应力分布，常规的静强度分析方法已不再适用，已属于疲劳与断裂问题。

校核结构抵抗变形的能力是否满足强度设计的要求，同时为动力分析等提供结构刚度特性数据，这种校核通常在使用载荷下或更小的载荷下进行。

计算和校核杆件、板件、薄壁结构、壳体等在载荷作用下是否会丧失稳定。有空气动力、弹性力耦合作用的结构稳定性问题时，则用气动弹性力学方法研究。

计算和分析结构在静载荷作用下的应力、变形分布规律和屈曲模态，为其他方面的结构分析提供资料。

静强度分析的内容也可通过静力试验测定或验证。^[2]

主要采取先设计后分析最后试验验证的方法，可能需要反复几次修改和再分析，有些试验也可与分析交错进行。传统的静强度设计采用工程计算方法，习惯上称为强度计算方法。

飞行器结构强度计算的理论基础和一般结构强度计算的理论基础相同，有材料力学、弹性力学、结构力学、板壳理论、稳定理论等学科。但由于飞行器结构的特点，飞行器结构强度计算在方法上有以下一些基本特点。

①静载荷方法：飞行器的外载荷是复杂变化的，不是静态问题。在静强度研究中，是将各部分的惯性力比拟为静态外载荷。突然作用的动载荷虽然通常会引起结构较大的响应,但可以采用动载荷放大系数加以修正,仍可作为静载荷处理。

②设计载荷法：飞行器结构允许发生局部失稳和局部塑性变形，所以在强度校核中不采用一般机械设计中的许用应力法，而采用设计载荷法，其强度准则为：使用载荷和安全系数由强度规范规定。

③线（性）弹性方法：计算复杂结构在复杂载荷下的精确应力和进行变形分析是很困难的。静强度校核主要采用线弹性方法，对材料塑性和结构局部失稳的影响可用各种系数（如断面减缩系数，塑性系数）加以修正，在分析中还略去结构局部细节的变化（如铆钉孔、断面突变）。^[2]

静强度分析是工程结构设计中使用最为频繁的分析，主要用来求解结构在与时间无关或者时间作用效果可以忽略的静力载荷（如集中/分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等）作用的响应，并得出所需的位移、应力和应变能等。

风力发电机组结构件的静强度问题，实际是考察机组的关键结构件在使用当中承受最大作用载荷的能力，分析结构承受极端载荷时的最大应变、应力和位移，进而讨论该结构的强度和刚度问题。分析方法及准则是风力发电机组结构件强度校核中最基本的分析原则，是机组结构设计活动中首先考虑的基本要求。

考虑到不同的载荷工况会导致结构件的受力状态不同，因此，必须全面考察机组在运行中所遇到的各种载荷状态（或称工况）。同一载荷分量，静强度仅考虑最大载荷值即可。通常风力发电机组结构静强度分析依据相关规范给定的设计载荷法，即计算载荷必须包含安全系数γ_f。

图1有限元静强度分析的一般流程根据求解问题的复杂程度，风力发电机组结构件的静强度分析方法可分为两类：工程计算方法和有限元计算方法。

对于某类结构件来说，其结构尺寸单一，受载条件简单，并且有权威机构颁布的工程算法实例做参照，则此类结构件的静强度分析可应用工程算法计算。例如，锥筒式塔筒筒段间螺栓连接的静强度分析等。

对于载荷复杂或结构复杂的一类结构件（例如，轮毂、底盘等），工程算法或者传统强度分析办法无法给出合乎规范要求的精确解，必须借助数值计算完成这类结构件的静强度分析。有限元法就是其中发展较为成熟的数值计算方法之一，是解决复杂力学问题的一个有效的工具。如上图1为有限元静强度分析的一般流程。

分析的一般流程

有限元静强度分析是求解近似解的过程，求解精度高度依赖建模策略，网格密度以及载荷或位移边界的施加方式，为保证计算结果安全可信，风力发电机组结构件的有限元静强度分析应满足下列基本原则。

建模及网格划分应遵循的原则

1）对于非重点考察区域的细小特征，例如圆孔、倒角、凸台等，在不影响整体刚度的前提下，可以适当简化；

2）采用构建相邻部件的部分模型（假体）的方法，增加模型的合理判别区域。结构件、假体模型的尺寸及其连接方式应与实际情况保持一致；

3）模型整体的网格规模和网格质量应适当，重点校验区域要加密网格，非重要的区域可适当增大网格尺寸，建议采用高阶单元划分模型；

4）对于呈现高应力状态、应力梯度变化较大的局部区域，要细分网格，追求高质量网格。建议出现高应力的倒圆特征至少划分三层单元；

5）含有对称结构特征的模型，可以考虑建立最小模型，降低计算复杂性。

施加载荷应遵循的原则

1）简化假设越少越好；

2）使施加的载荷与结构的实际承载状态保持吻合；

3）如必须作简化处理时，必须忽略“不合理”简化的边界附近一定区域内的应力；

值得注意的是，在结构分析中，集中载荷通常是梁、杆和弹簧等非连续性的模型施加载荷的一种途径。对于由平面单元或者三维实体单元等组成的连续性模型，集中载荷意味着存在应力奇异点。在静强度分析中，如果不关心集中载荷作用节点处的应力，根据圣维南原理，可以用等效集中载荷代替静力分布载荷，添加在模型上，虽然这样做会对载荷附近的局部特性有影响，但对整个结构的性能影响并不大。

无论采用工程算法还是数值算法，最后的工作都要归结为：静强度校验。对于风力发电机组结构件的静强度分析来说，就是通过应力（位移）比较，以校核结构件是否满足强度和刚度的要求。具体的做法是筛选出最大应力（最大位移）的载荷情况，并对该情况下所产生的最大应力（位移）进行检验。^[3]

传统的强度计算方法已不能满足需要,各种新方法和新手段正在获得发展。有限元素法正在逐步取代用工程修正系数的半经验的传统方法，已经成为设计中的常规方法。结构分析系统是实现有限元素法数值计算的电子计算机软件包。应用有限元素法和结构分析系统,有可能在具体设计中对复杂结构进行弹-塑性分析、非线性分析、最优化分析等，从而取得更符合实际的结果。对于复合材料结构则需要建立新的强度理论、准则和分析方法。