駱傳龍，李秀海，李軍向，顧育慧，張 靖，楊海江

（明陽智慧能源集團(tuán)股份公司，中山 528437）

0 前言

風(fēng)能作為一種清潔能源，長久以來受到世界各國的推崇。隨著國家“雙碳”政策的推行，風(fēng)電市場將迎來很長一段時(shí)間的繁榮期。在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，葉片作為前端捕獲風(fēng)能的機(jī)構(gòu)［1］，經(jīng)受著復(fù)雜多變的載荷工況以及惡劣嚴(yán)苛的生存環(huán)境的雙重考驗(yàn)。風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)失效時(shí)有發(fā)生，尤其以疲勞失效居多［2］， 葉片的疲勞失效也一直是行業(yè)內(nèi)的重點(diǎn)研究問題。

Mar?′n J C［3］對一批300 kW風(fēng)電葉片的疲勞損傷情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)葉片的表面裂紋、幾何過渡不均勻和殼體厚度突變都會(huì)增大疲勞應(yīng)力的幅值，加速疲勞損傷的擴(kuò)展。

Pan Zujin［4］等在2MW全尺寸葉片的擺振疲勞實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在葉片最大弦長截面，后緣棱邊處形狀過渡不均勻引起應(yīng)力集中，輕木和玻璃鋼在厚度過渡處出現(xiàn)分層。在增加芯材厚度、對葉片后緣結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)后，該擺振疲勞損傷的問題得以解決。

Chen Xiao［5］對47 m全尺寸葉片進(jìn)行了揮舞疲勞實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)前后葉片的彎曲剛度、固有頻率和阻尼比分別進(jìn)行對比分析。發(fā)現(xiàn)由揮舞疲勞載荷引起的葉片剛度退化過程和材料的試樣級疲勞試驗(yàn)顯示的規(guī)律相同，即剛度衰減在疲勞的前兩個(gè)階段都是由快變慢。相比于葉片剛度，將阻尼比作為評價(jià)葉片整體疲勞損傷的指標(biāo)更實(shí)用。

Castro, Oscar［6］等人還指出，葉片在實(shí)際運(yùn)行過程中，同時(shí)受到不同方向的彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。而現(xiàn)行的測試標(biāo)準(zhǔn)只針對擺振和揮舞兩個(gè)方向的疲勞載荷進(jìn)行測試，所以，葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在單軸疲勞測試中不能完全暴露。單軸疲勞測試不能完全捕捉到葉片實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的疲勞損傷。

Peter R Greaves［7］也認(rèn)為，雙軸疲勞實(shí)驗(yàn)比分別進(jìn)行擺振和揮舞方向的單軸疲勞實(shí)驗(yàn)更具有代表性，更能真實(shí)反映葉片實(shí)際運(yùn)行時(shí)的受載狀態(tài)。他們提出了將擺振疲勞載荷和揮舞疲勞載荷耦合起來的方法，通過選擇兩種疲勞載荷的合適的相位角，使揮舞和擺振疲勞載荷都滿足測試要求。

Chizhi Zhang［8］等以NREL 5MW風(fēng)機(jī)葉片為研究對象，提出了一種基于修正的葉素動(dòng)量理論評估疲勞損傷的方法。

GL設(shè)計(jì)規(guī)范明確規(guī)定了葉片玻璃纖維復(fù)合材料在0°方向的疲勞計(jì)算方法，而對復(fù)合材料在90°方向的疲勞沒有明確要求。然而，葉片在進(jìn)行擺振疲勞測試時(shí)，殼體復(fù)合材料90°方向的應(yīng)力也容易使葉片出現(xiàn)疲勞損傷裂紋。葉片在實(shí)際正常運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部材料多處于多軸循環(huán)應(yīng)力條件下［9］，僅考慮0°方向的單軸疲勞無法確保葉片實(shí)際運(yùn)行時(shí)的疲勞安全性，不能滿足實(shí)際工程需要。

本文以某70 m級葉片為研究對象，概述了該葉片在擺振疲勞測試中出現(xiàn)的損傷情況，結(jié)合有限元疲勞計(jì)算結(jié)果，分析了引起葉片擺振疲勞損傷的可能原因，并針對性地給出了維修補(bǔ)強(qiáng)方案，同時(shí)對補(bǔ)強(qiáng)后的葉片進(jìn)行疲勞分析，合理地給出了該款葉片擺振疲勞90°方向安全系數(shù)的閾值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

玻纖布：單軸布/雙軸布/三軸布

1.2 設(shè)備儀器

激振器：45kW電機(jī)，凱日電氣

動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)：DH5921，東華測試

應(yīng)變片：BE120-10AA-P150，中航電測

1.3 疲勞測試裝置

葉片疲勞實(shí)驗(yàn)依據(jù)風(fēng)電葉片全尺寸測試（標(biāo)準(zhǔn)IEC 61400-23）［10］執(zhí)行，擺振疲勞測試預(yù)計(jì)進(jìn)行400萬 次循環(huán)。葉片安裝角為0°，以后緣向下的姿態(tài)安裝在測試平臺上，如圖1。采用單點(diǎn)共振恒幅加載方式，在L45 m位置安裝帶有偏心質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)電機(jī)給葉片施加恒定的疲勞載荷，激振器與配重合計(jì)1600 kg。為使葉片各截面均能達(dá)到疲勞測試的目標(biāo)載荷，同時(shí)避免葉根彎矩過大，將葉片L50 m至葉尖截?cái)唷?/p>

圖1 葉片擺振疲勞實(shí)驗(yàn)裝置

1.4 損傷描述

測試樣片先進(jìn)行靜力測試，完成靜力測試檢查并確認(rèn)葉片無異常后開始進(jìn)行疲勞測試，在擺振疲勞測試載荷循環(huán)次數(shù)達(dá)到5萬次時(shí)，對葉片進(jìn)行例行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)葉片PS面后緣在殼體外表面出現(xiàn)軸向微裂紋，如圖2所示。微裂紋分布在葉片軸向L5～L7 m，距離后緣合?？p約0.8 m的位置，微裂紋損傷面積約為900 mm×120 mm。對葉片內(nèi)腔進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)在SS面后緣芯材與后緣梁過渡區(qū)域出現(xiàn)發(fā)白損傷，微裂紋分布在軸向L3.5～L6m范圍內(nèi)，損傷區(qū)域的寬度約為180 mm，如圖3所示。

圖2 PS面外表面后緣微裂紋

1.5 疲勞分析方法

復(fù)核該葉片的結(jié)構(gòu)鋪層圖紙，圖2和圖3中葉片出現(xiàn)疲勞失效的位置是由3AX1350H［0°,±30°］玻纖布、3AX880H［0°,±30°］玻纖布和Balsa三種材料復(fù)合成的夾芯板結(jié)構(gòu)。表1列出了該葉片主要材料的材料屬性，表2為兩種三軸玻纖布的拉伸和壓縮強(qiáng)度。

圖3 SS面內(nèi)表面后緣微裂紋

表1 葉片主材的材料屬性

表2 三軸布的拉伸和壓縮強(qiáng)度

本文針對該測試葉片的擺振疲勞進(jìn)行了有限元分析。采用Focus軟件建立葉片鋪層結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行網(wǎng)格尺寸設(shè)置后導(dǎo)出有限元模型。在ANSYS中進(jìn)行疲勞計(jì)算并提取單元橫向應(yīng)力進(jìn)行后處理。后處理計(jì)算過程中，主要使用GL設(shè)計(jì)規(guī)范中對葉片復(fù)合材料0°方向疲勞的計(jì)算方法，將該計(jì)算方法等效應(yīng)用于90°方向的疲勞安全系數(shù)計(jì)算。材料在疲勞載荷下的許用循環(huán)次數(shù)計(jì)算方法如下：

公式（1）中，在葉片擺振疲勞實(shí)驗(yàn)中，可以認(rèn)為平均應(yīng)力。將式（1）簡化后得：

將簡化后的材料疲勞許用循環(huán)次數(shù)計(jì)算公式（2）結(jié)合疲勞的線性累計(jì)損傷理論，編寫成ANSYS APDL命令流。將葉片各組分材料的疲勞安全系數(shù)云圖與葉片在擺振疲勞測試中裂紋損傷位置結(jié)合起來分析疲勞失效原因。

2 結(jié)果與討論

3AX1350H［0°,±30°］玻纖布的擺振疲勞安全系數(shù)云圖如圖4。圖4中疲勞危險(xiǎn)區(qū)域分布在PS面和SS面后緣面板上，軸向L2.9～L6.9m，弦向距離后緣合?？p0.79 m～1.32 m區(qū)間內(nèi)。而測試樣片實(shí)際出現(xiàn)擺振疲勞微裂紋也是在軸向L5～L7 m范圍內(nèi)，距離后緣0.80 m的位置，與圖4中有限元計(jì)算出的擺振疲勞危險(xiǎn)區(qū)域基本一致。

圖4中3AX1350H［0°,±30°］玻纖布的疲勞危險(xiǎn)區(qū)域基本沿后緣合?？p對稱分布，且PS面的危險(xiǎn)區(qū)域面積更大，疲勞安全系數(shù)更小。在合模縫兩側(cè)，芯材和后緣梁交界的位置，也有呈條帶狀展向分布的疲勞失效發(fā)生。提取單元橫向應(yīng)力進(jìn)行后處理計(jì)算，擺振疲勞安全系數(shù)的最小值為0.21。

圖4 3AX1350H[0°,±30°]材料的疲勞安全系數(shù)云圖

3AX880H［0°,±30°］玻纖布在擺振疲勞載荷下的安全系數(shù)云圖如圖5。圖5中疲勞危險(xiǎn)區(qū)域主要分布在PS面后緣面板以及后緣芯材與后緣梁交界的區(qū)域。PS面擺振疲勞損傷發(fā)生在軸向L2.4～L5.3m，弦向距離后緣合模縫0.76m～1.20m區(qū)間內(nèi)。相對于3AX1350H［0°,±30°］玻纖布，3AX880H［0°,±30°］玻纖布的疲勞危險(xiǎn)區(qū)域面積更小。其擺振疲勞安全系數(shù)的最小值為0.25，大于3AX1350H［0°,±30°］玻纖布的0.21。

圖5 3AX880H[0°,±30°]材料的疲勞安全系數(shù)云圖

3 維修補(bǔ)強(qiáng)方案

在對測試樣片的擺振疲勞損傷情況進(jìn)行現(xiàn)場排查以后，結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為引起擺振疲勞損傷的可能原因是葉根段玻纖布材料鋪層在90°方向纖維體積分?jǐn)?shù)低，導(dǎo)致殼體層合板結(jié)構(gòu)在擺振方向的拉伸和壓縮強(qiáng)度均偏低。嘗試采用2AX808H［±45°］的雙軸玻纖布對葉片后緣進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，先對疲勞損傷區(qū)域的殼體打磨并加工錯(cuò)層，再進(jìn)行真空灌注維修。具體的維修補(bǔ)強(qiáng)方案中葉片后緣外腔補(bǔ)強(qiáng)布鋪層見表3，內(nèi)腔補(bǔ)強(qiáng)布鋪層見表4。在Focus軟件中建立的補(bǔ)強(qiáng)布鋪層示意圖如圖6所示。

圖6 葉片后緣補(bǔ)強(qiáng)鋪層

表3 PS/SS面外腔補(bǔ)強(qiáng)鋪層

表4 PS/SS面內(nèi)腔補(bǔ)強(qiáng)鋪層

該葉片在經(jīng)過上述維修補(bǔ)強(qiáng)以后，再次進(jìn)行了疲勞測試并順利通過。對補(bǔ)強(qiáng)后葉片的擺振疲勞重新計(jì)算，嘗試從維修補(bǔ)強(qiáng)方案中總結(jié)出一個(gè)評價(jià)擺振疲勞安全系數(shù)的閾值，用于指導(dǎo)后續(xù)的葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

4 補(bǔ)強(qiáng)后葉片的擺振疲勞分析

維修補(bǔ)強(qiáng)后，3AX1350H［0°,±30°］玻纖布在擺振疲勞載荷下的最小安全系數(shù)從0.21增加到0.31。圖7顯示的是安全系數(shù)低于0.54的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)低于0.54的單元較少，疲勞失效單元仍然分布在后緣合?？p兩側(cè)。部分單元發(fā)生疲勞失效是網(wǎng)格不規(guī)則引起單元應(yīng)力突變造成的。原來存在于葉片后緣殼體上的3AX1350H［0°,±30°］玻纖布大面積疲勞失效在補(bǔ)強(qiáng)后得到了顯著改善。

圖7 補(bǔ)強(qiáng)后3AX1350H[0°,±30°]疲勞安全系數(shù)云圖

3AX880H［0°,±30°］玻纖布的擺振疲勞最小安全系數(shù)從0.25增加到0.36，其最小安全系數(shù)云圖如圖8所示。葉片PS面和SS面殼體上基本沒有3AX880H［0°,±30°］玻纖布的疲勞失效發(fā)生，整體疲勞安全系數(shù)都在0.54以上。

圖8 補(bǔ)強(qiáng)后3AX880H[0°,±30°]疲勞安全系數(shù)云圖

根據(jù)以上對兩種三軸玻纖布的擺振疲勞計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在采用2AX808H［±45°］雙軸玻纖布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)以后，葉片殼體上3AX1350H［0°,±30°］和3AX880H［0°,±30°］玻纖布的擺振疲勞安全系數(shù)都大于0.54，且葉片補(bǔ)強(qiáng)后順利通過了疲勞測試。因此，可以將0.54作為該款葉片擺振疲勞安全系數(shù)的閾值。也證實(shí)了擺振疲勞損傷與殼體玻纖布90°方向纖維含量低有關(guān)，采用2AX808H［±45°］雙軸玻纖布補(bǔ)強(qiáng)能有效地改善葉片的擺振疲勞90°方向損傷狀況。

5 結(jié)論

本文概述了某70 m級葉片在擺振疲勞測試中出現(xiàn)的疲勞損傷情況，并結(jié)合有限元計(jì)算，分析了引起擺振疲勞損傷的可能原因。認(rèn)為葉片殼體玻纖布鋪層在90°方向纖維體積分?jǐn)?shù)低是導(dǎo)致擺振疲勞損傷的原因之一，而采用2AX808H［±45°］雙軸玻纖布能有效地改善葉片的擺振疲勞損傷狀況。通過對補(bǔ)強(qiáng)后葉片的擺振疲勞的分析，認(rèn)為可以將0.54作為該葉片擺振疲勞90°方向安全系數(shù)的閾值。本文為葉片設(shè)計(jì)人員分析擺振疲勞提供了一種新思路，也為擺振疲勞損傷的維修提供了一種行之有效的方案。