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大型风电机组复合叶片静载失效试验及有限元模拟

陈晓，赵薇，赵小路，徐建中

1中国科学院工程热物理研究所，北京市北四环西路11号，邮编：100190；电子邮箱：x l z@iet.cn（x.l.z）；xjz@iet.cn（j.z.x.）

2中国北京市北四环西路11号风电叶片研发中心国家实验室，邮编：1001903.河北省风电叶片工程研究中心，中国河北省保定市向阳北街2011号，邮编：071051；邮箱：zhaoweigirl@sino-wind.com.cn

*通讯作者；电子邮箱：drchenshio@163.com；电话： 86-10-8254-3038；传真： 86-10-8254-3037。

收到日期：2013年12月9日；修订格式：2014年3月26日/接受日期：2014年3月27日/发布日期：2014年4月10日

摘要：本文对52.3米复合材料风力机叶片在静载荷作用下的失效进行了分析。对叶片过渡区的复杂失效特征进行了全面的分析，识别出典型的失效模式。为了预测试验中观察到的多种失效模式，并深入了解叶片的失效机理，采用全局局部建模方法和考虑材料失效和性能退化的渐进失效分析（PFA）技术进行了有限元模拟。模拟结果较好地再现了过渡区的破坏过程和破坏特征，发现梁帽的累积脱层和过渡区的剪切腹板破坏是导致叶片倒塌的主要原因。局部屈曲通过增加局部面外变形在破坏过程中起着重要作用，而火盆效应对叶片的破坏不起作用。

关键词：风能；叶片失效；复合材料；分层；局部屈曲；渐进失效

1引言

近年来，随着风力发电量的增加，为了获取更多的风力发电量，进一步降低能源成本[1,2]，风力机叶片的尺寸越来越大。当叶片为小尖头时，叶片的变形是结构设计的主要驱动因素，而叶片的失效则不那么令人担忧。然而，随着叶片尺寸的增大，失效类型的变化和三维应力变得重要[3]。为了研究多兆瓦级风力发电机组大型叶片的失效行为，一些研究人员对大型叶片进行了失效试验。其中，Jorgensen等人[4]在襟翼弯曲下对25 m叶片进行了失效试验，强调了大挠度下的几何非线性。延森等人。[5–7]在襟翼方向弯曲下测试了34 m叶片及其承载箱梁，发现火盆效应导致了梁帽的大变形，进一步的分层屈曲是导致结构倒塌的原因。Overgard等人[8,9]测试了25 m叶片在襟翼弯曲下的失效情况，得出结论：叶片的极限强度由分层和屈曲形式的失稳现象控制，而不是由火盆效应控制。杨等人。[10]研究了40 m叶片在襟翼弯曲下的结构倒塌，发现气动壳体从胶接处脱落是导致叶片倒塌的主要原因。Chou等人。[11]研究了台风破坏的叶片长度接近39.5 m的复合材料叶片，发现叶片因分层和层压板开裂而失效。可以看出，叶片的失效原因各不相同，几乎没有达成共识。

尽管近年来报道了几起50 m叶片的失效事件[12]，但据作者所知，迄今为止还没有公开报道针对长度超过40 m的叶片失效的实验研究。认为大型叶片可能表现出更为复杂的失效行为，这在现有的研究中没有得到观察，在目前的叶片设计中也没有得到足够的重视。因此，迫切需要对大型叶片进行试验研究，以进一步了解其失效行为。此外，由于与全尺寸叶片试验相关的成本高昂，能够预测大型结构叶片失效的数值模型对于补充实验研究也是必不可少的。尽管一些研究人员[13–15]已经使用有限元（FE）方法成功地研究了复合材料叶片的失效行为，但他们主要关注平面内的失效模式，即层压板断裂（LF），在大多数商业有限元程序中，基于二维应力场的失效标准都是现成的。从现有大型复合材料叶片的破坏试验中可以看出，以分层形式出现的贯穿厚度破坏模式比平面破坏模式更为关键。只有少数工作，即[8,9]在结构尺度上对叶片分层进行了数值研究，并在内部开发了他们使用的有限元程序。因此，在叶片设计人员熟悉的有限元程序基础上，开发一种大型叶片失效行为预测的建模方法具有重要意义。

为了部分满足大型叶片失效的实验和数值研究的需要，本研究对52.3 m叶片进行了全尺寸失效试验，重点研究了其复杂的失效特性，这些失效特性与面内和全厚度失效模式有关，且未被其他研究重点放在更小的叶片上的学者研究过。为了预测叶片的复杂失效特性，本研究提出了一种基于商用有限元程序的有限元建模方法，并进一步研究了导致叶片失效的机理。希望对大型风电机组叶片的失效有更多的认识。

本文的主要内容如下：介绍了叶片的基本信息和试验过程，并在第二节中对叶片的失效特性进行了研究；在第3节中，利用渐进失效分析（PFA）技术和全局局部建模方法，提出了一种能够预测叶片复杂失效特征的有限元建模方法；通过将预测的结构响应与可用的实验测量结果进行比较，评估了数值模型后，第4节再现了叶片的失效过程和失效特征，在失效试验和数值模拟的基础上，检验了失效的根本原因和火盆效应，以了解第5节叶片的失效机理；最后，本研究的结果总结在第6节。

2.全尺寸失效试验

商用风力涡轮机叶片必须通过叶片认证机构[16,17]要求的全尺寸测试，才能开始这些叶片类型的系列生产。在试验中，静弯曲载荷用于模拟叶片在设计寿命中预期承受的极端风载荷。本节介绍了相关叶片的相关信息和试验程序，并通过事后观察研究了其复杂的失效特征。

2.1叶片的相关信息

叶片设计用于2.5兆瓦风力涡轮机，总长52.3米。叶片由玻璃纤维制成，真空注入环氧树脂。叶片横截面的典型结构如图1所示。SPAR盖由复合层合板制成，并设计用于承载弯矩，而前缘（LE）面板和后部面板由PVC泡沫芯的夹层结构制成，并设计成提供气动翼型形状。抗剪腹板也是夹层结构，设计用于支撑两个梁帽和传递剪切力。

图1.典型叶片截面结构

在本文中，叶片的跨距位置由叶片总长度规范化，并表示为“LXXXX”。例如，在图2中4 m的跨度位置在中表示为“L0.076”，显示了典型叶片位置处的复合叠层。叶片表面包含两种三轴层压板，分别表示为“三轴_7”和“三轴_1”；梁帽含有大量单向层压板，剪切网含有双轴层压板作为夹层表皮。

图2. 典型的叶片复合叠层

2.2试验过程

总而言之，对该叶片进行了两组静弯曲试验，第一组是基于2.5兆瓦风力涡轮机的设计荷载，并按照认证机构对全尺寸风力涡轮机叶片的试验要求进行的。第二组是基于3.0兆瓦风力涡轮机的设计负荷，其目的是让叶片超载并检查可能的故障。所有测试用例及其顺序如表1所示。加载方向如图3所示，叠加了叶片的典型横截面轮廓。需要注意的是，叶片的测试顺序是按照叶片轴逆时针旋转的顺序确定的。叶片根部固定在试验台上，作为悬臂梁，起重机向上施加拉力，如图4所示，针对试验案例“f_max_3.0”，在完成一个试验案例后，叶片沿其纵轴旋转至规定位置，用于后续试验案例。

表1.叶片的负载测试记录表

*由于“f_max_3.0”中的最终叶片故障，未测试测试用例“e_max_3.0”。

图3.测试的加载方向

图4.测试“f_max_3.0”中叶片的测试场景。

三台起重机和四台起重机分别用于2.5兆瓦和3.0兆瓦的负荷。在叶片表面和装载鞍座之间安装了大约200 mm宽和15 mm厚的橡胶垫，以减少装载位置的应力集中。应用于叶片的目标试验弯曲力矩由试验案例“f_max_2.5”中的最大根力矩规范化，如图5所示。可见，“f_max_2.5”的目标试验载荷与“f_max_3.0”的目标试验载荷基本相同。按照0%、40%、60%、80%、100%的加载程序逐步施加试验荷载，然后按照每个试验案例中目标荷载的80%、60%、40%、0%的卸载程序逐步施加试验荷载。起重机之间没有通信，它们同时施加拉力以获得每个规定的载荷水平，然后按照[16,17]的要求保持10秒。在试验过程中，通过安装在起重机上的称重传感器记录施加的载荷，在加载鞍座位置和使用拉绳位移传感器测量叶片的偏转，通过沿梁帽中心轴的应变计记录纵向应变。使用10秒内的平均测量值来表示叶片在规定载荷水平下的结构响应。

图5.加载弯曲力矩

2.3试验结果检查观察和讨论

在成功完成叶片认证的2.5 mw加载装置后，遵循3.0 mw加载装置。在试验案例“e_min_3.0”中100%的目标试验载荷下，后缘（TE）和相邻的后面板在过渡区域失效，在过渡区域，叶片的横截面几何结构从叶根的圆形过渡到最大弦的翼型。在卸载测试用例“F_max_3.0”之后，由于在90%左右的目标测试负载下过渡区域的最终故障，叶片倒塌。由于“f_max_2.5”和“f_max_3.0”的目标试验载荷基本相同，因此叶片的最终失效载荷实际上比叶片承受的载荷小10%。然后对整个叶片进行了彻底的调查。发现主要失效区域位于图6a所示的L0.067至L0.105之间。尽管失效区域呈现出复杂的失效形式，但一些典型的失效模式，如层压板断裂（LF）、复合分层（DL）和夹层皮芯脱粘（DB），可如图6b、c所示进行识别，其中视觉上可见用虚线描绘了耳鼻喉部脱粘前缘，用虚线描绘了梁帽和夹芯板之间的交叉点。图6d中叶片吸力侧（SS）在l0.076处的特写显示了局部失效特征，可以看出，LF发生在梁帽和后面板的交叉处，梁帽的蒙皮层压板受到LF和DL的影响。

图6.叶片外部故障。（a）叶片在过渡区的最终失效；（b）视图1 SS处的典型失效模式；（c）视图2 SS处的典型失效模式；（d）L0.076处的局部失效特征。

还对叶片内部进行了检查，发现L0.076至L0.096位置处的后剪腹板完全失效，与叶片轴的断裂角约为45°，见图7a。图7a.te在L0.092处显示出相当大的失效，LF和DB的组合失效模式如图7b所示。

图7.刀片内部故障。（a）后剪腹板失效；（b）TE失效。

此外，在L0.076处对叶片进行了剖切，以便于对其横截面进行检查。研究发现，晶石帽的dl不仅出现在构成叶片表皮的三轴层压板上，也出现在单向层压板上，如图8a所示。 对AFT和LE面板的调查显示，在夹层结构中，DB和相关的堆芯剪切破坏（CF）以及DB的破坏面在表皮层压板和堆芯材料界面下方大约1至2 mm的区域传播，如图8b所示。

图8.在L0.076横截面上观察到故障。（a）不锈钢梁帽；（b）面板。

通过试验结果观察，可见过渡区普遍存在多种失效模式。其中dl和db与组分层界面的力学性能和应力状态密切相关，可分为界面（或贯穿厚度）破坏。在几何和材料不连续性引起的层间应力不可避免地影响LF特性的交叉点处，发现了另一种失效模式LF，尽管通常被认为是平面内失效的一种形式。由于界面应力和层间应力与贯穿厚度应力密切相关，因此可以得出结论，贯穿厚度应力在叶片多种失效模式下的复杂失效特性中起着重要作用。

此外，值得注意的是，带有大量单向层压板的梁帽控制着叶片的弯曲刚度和整体强度，而剪切腹板支撑着两个半气动壳体和叶片中传递的剪切力。从试验后的观察可以看出，在不锈钢梁帽单向层合板的过渡区分层和抗剪腹板破坏的各种破坏模式中，最主要的是叶片承载能力的完全丧失。

3.有限元建模方法

虽然试验后观察提供了对叶片失效特征的一些理解，但失效过程和失效机制尚未阐明。为了更深入地了解叶片的失效情况，需要建立一个数值模型来补充实验研究。本节旨在开发一种用于数值研究的有限元建模方法，首先介绍模拟中必须考虑的因素，然后描述PFA技术中使用的材料模型和用于叶片建模的全局局部方法。此外，还给出了在商业有限元程序中模拟的数值实现方法。

3.1.有限元建模中的注意事项

根据试验中的失效观察，很明显，为了准确模拟叶片的失效过程和失效特征，必须在有限元建模中加入两个特征。其中一个特点是，由于最终失效载荷小于叶片承受的载荷，因此要建立的有限元模型应考虑载荷历史对结构性能的影响，这意味着载荷历史对其极限承载力的不利影响。这一特性可以通过使用成熟的PFA技术[18]来实现，该技术由两部分组成，即表示材料失效发生的失效标准和表示满足失效标准后材料剩余性能的材料性能退化规则。虽然PFA技术已在许多研究[19,20]中被用于研究复合材料和结构部件的失效过程，但很少用于分析大型复合材料叶片的结构尺寸。在目前的研究中，采用PFA技术模拟了材料失效和性能退化时叶片的加载过程。

有限元模型中需要包含的另一个特征是三维应力，它能够分析与面内和贯穿厚度应力相关的复杂失效特征，这需要在模型中使用实体元件。然而，由于部件细节和整个叶片的尺寸尺度存在很大差异，因此使用实体元素对整个叶片结构进行建模和分析非常困难。考虑到叶片失效主要发生在过渡区，仅需对叶片局部进行实体建模和分析。虽然为了减少建模难度局部实体元模型似乎是一个有希望的解决方案，但实际负荷应用于整个叶片，而不是过渡区是明确的。为了获得过渡区所承受的载荷，决定先建立一个反映试验中叶片载荷状态的整体壳元模型，然后反算过渡区所承受的载荷，再将这些载荷应用到局部实体元模型中，随后进行详细的失效分析。

3.2材料模型

3.2.1材料性能

材料试验的面内性能试验结果如表2所示。由于叶片设计师的商业考虑，材料的所有模量和强度参数均通过每种材料的相应纵向特性进行归一化。对于局部实体单元模型，需要通过厚度特性来进行分析。然而，本研究并未测试材料在整个厚度（或“3”）方向上的性能，因此使用一些假设来估计这些值，如表3所示，其中单向复合材料的性能被视为与其平面内的性能成比例，比例系数根据[21页]，其中对类似的玻璃/环氧单向厚层压板进行了系统测试。假设两种类型的三轴复合材料在“3”方向上的强度性能与单向复合材料相同，考虑到没有纤维增强沿此方向排列，强度性能在很大程度上受复合材料中基

资料编号：[4668]