靜強度分析

靜強度研究是飛行器結構強度學科中最早形成的也是最基本的一個方面，又稱結構靜力研究，包括靜強度分析和靜強度試驗（又稱靜力試驗）。

結構物的靜強度分析。就是明確結構物的形狀、尺寸和重量分佈，根據任務概況中各階段的運行條件和環境條件，推算出結構物所受的最大載荷．對於飛機來説，要根據適航性基準，確定運動載荷、陣風載荷、‘地上載荷、發動機載荷和增壓載荷等的計算方法。據此計算出主翼、機身和尾翼等各部分結構的載荷，再進一步應用有限元法或結構力學、材料力學或斷裂力學求出各構件應力最大的斷面或部位的應力。

根據應力最大斷面或部位所承受的載荷求出應力分佈，再找出包括製造和劣化等影響在內的材料強度的分佈，即可應用所謂應力-強度模型或干涉理論方法，求得結構的可靠度。 ^[1] 

靜強度分析包括下面幾個方面的工作。

校核結構的承載能力是否滿足強度設計的要求，若強度過剩較多，可以減小結構承力件尺寸。對於帶裂紋的結構，由於裂紋尖端存在奇異的應力分佈，常規的靜強度分析方法已不再適用，已屬於疲勞與斷裂問題。

校核結構抵抗變形的能力是否滿足強度設計的要求，同時為動力分析等提供結構剛度特性數據，這種校核通常在使用載荷下或更小的載荷下進行。

計算和校核杆件、板件、薄壁結構、殼體等在載荷作用下是否會喪失穩定。有空氣動力、彈性力耦合作用的結構穩定性問題時，則用氣動彈性力學方法研究。

計算和分析結構在靜載荷作用下的應力、變形分佈規律和屈曲模態，為其他方面的結構分析提供資料。

靜強度分析的內容也可通過靜力試驗測定或驗證。 ^[2] 

主要採取先設計後分析最後試驗驗證的方法，可能需要反覆幾次修改和再分析，有些試驗也可與分析交錯進行。傳統的靜強度設計採用工程計算方法，習慣上稱為強度計算方法。

飛行器結構強度計算的理論基礎和一般結構強度計算的理論基礎相同，有材料力學、彈性力學、結構力學、板殼理論、穩定理論等學科。但由於飛行器結構的特點，飛行器結構強度計算在方法上有以下一些基本特點。

①靜載荷方法：飛行器的外載荷是複雜變化的，不是靜態問題。在靜強度研究中，是將各部分的慣性力比擬為靜態外載荷。突然作用的動載荷雖然通常會引起結構較大的響應,但可以採用動載荷放大係數加以修正,仍可作為靜載荷處理。

②設計載荷法：飛行器結構允許發生局部失穩和局部塑性變形，所以在強度校核中不採用一般機械設計中的許用應力法，而採用設計載荷法，其強度準則為：使用載荷和安全係數由強度規範規定。

③線（性）彈性方法：計算複雜結構在複雜載荷下的精確應力和進行變形分析是很困難的。靜強度校核主要採用線彈性方法，對材料塑性和結構局部失穩的影響可用各種係數（如斷面減縮係數，塑性係數）加以修正，在分析中還略去結構局部細節的變化（如鉚釘孔、斷面突變）。 ^[2] 

靜強度分析是工程結構設計中使用最為頻繁的分析，主要用來求解結構在與時間無關或者時間作用效果可以忽略的靜力載荷（如集中/分佈靜力、温度載荷、強制位移、慣性力等）作用的響應，並得出所需的位移、應力和應變能等。

風力發電機組結構件的靜強度問題，實際是考察機組的關鍵結構件在使用當中承受最大作用載荷的能力，分析結構承受極端載荷時的最大應變、應力和位移，進而討論該結構的強度和剛度問題。分析方法及準則是風力發電機組結構件強度校核中最基本的分析原則，是機組結構設計活動中首先考慮的基本要求。

考慮到不同的載荷工況會導致結構件的受力狀態不同，因此，必須全面考察機組在運行中所遇到的各種載荷狀態（或稱工況）。同一載荷分量，靜強度僅考慮最大載荷值即可。通常風力發電機組結構靜強度分析依據相關規範給定的設計載荷法，即計算載荷必須包含安全係數γ_f。

根據求解問題的複雜程度，風力發電機組結構件的靜強度分析方法可分為兩類：工程計算方法和有限元計算方法。

對於某類結構件來説，其結構尺寸單一，受載條件簡單，並且有權威機構頒佈的工程算法實例做參照，則此類結構件的靜強度分析可應用工程算法計算。例如，錐筒式塔筒筒段間螺栓連接的靜強度分析等。

對於載荷複雜或結構複雜的一類結構件（例如，輪轂、底盤等），工程算法或者傳統強度分析辦法無法給出合乎規範要求的精確解，必須藉助數值計算完成這類結構件的靜強度分析。有限元法就是其中發展較為成熟的數值計算方法之一，是解決複雜力學問題的一個有效的工具。如上圖1為有限元靜強度分析的一般流程。

有限元靜強度分析是求解近似解的過程，求解精度高度依賴建模策略，網格密度以及載荷或位移邊界的施加方式，為保證計算結果安全可信，風力發電機組結構件的有限元靜強度分析應滿足下列基本原則。

1）對於非重點考察區域的細小特徵，例如圓孔、倒角、凸台等，在不影響整體剛度的前提下，可以適當簡化；

2）採用構建相鄰部件的部分模型（假體）的方法，增加模型的合理判別區域。結構件、假體模型的尺寸及其連接方式應與實際情況保持一致；

3）模型整體的網格規模和網格質量應適當，重點校驗區域要加密網格，非重要的區域可適當增大網格尺寸，建議採用高階單元劃分模型；

4）對於呈現高應力狀態、應力梯度變化較大的局部區域，要細分網格，追求高質量網格。建議出現高應力的倒圓特徵至少劃分三層單元；

5）含有對稱結構特徵的模型，可以考慮建立最小模型，降低計算複雜性。

1）簡化假設越少越好；

2）使施加的載荷與結構的實際承載狀態保持吻合；

3）如必須作簡化處理時，必須忽略“不合理”簡化的邊界附近一定區域內的應力；

值得注意的是，在結構分析中，集中載荷通常是梁、杆和彈簧等非連續性的模型施加載荷的一種途徑。對於由平面單元或者三維實體單元等組成的連續性模型，集中載荷意味着存在應力奇異點。在靜強度分析中，如果不關心集中載荷作用節點處的應力，根據聖維南原理，可以用等效集中載荷代替靜力分佈載荷，添加在模型上，雖然這樣做會對載荷附近的局部特性有影響，但對整個結構的性能影響並不大。

無論採用工程算法還是數值算法，最後的工作都要歸結為：靜強度校驗。對於風力發電機組結構件的靜強度分析來説，就是通過應力（位移）比較，以校核結構件是否滿足強度和剛度的要求。具體的做法是篩選出最大應力（最大位移）的載荷情況，並對該情況下所產生的最大應力（位移）進行檢驗。 ^[3] 

傳統的強度計算方法已不能滿足需要,各種新方法和新手段正在獲得發展。有限元素法正在逐步取代用工程修正係數的半經驗的傳統方法，已經成為設計中的常規方法。結構分析系統是實現有限元素法數值計算的電子計算機軟件包。應用有限元素法和結構分析系統,有可能在具體設計中對複雜結構進行彈-塑性分析、非線性分析、最優化分析等，從而取得更符合實際的結果。對於複合材料結構則需要建立新的強度理論、準則和分析方法。