某大型風機葉片靜力加載失效破壞原因分析

羊森林，黃永東，鐘賢和，戚中浩，王鋒

（東方電氣風電有限公司，四川 德陽，618000）

某大型風機葉片靜力加載失效破壞原因分析

羊森林，黃永東，鐘賢和，戚中浩，王鋒

（東方電氣風電有限公司，四川 德陽，618000）

靜力加載試驗是驗證風電葉片結構靜強度以及穩定性是否滿足設計要求的重要方法。文章結合試驗測試數據以及采用FOCUS軟件和有限元方法，對某大型風機葉片的靜力加載失效破壞進行了分析。分析結果表明，PVC芯材過熱引起剪切模量下降，是導致葉片殼體失效破壞的主要原因。模擬分析結果與試驗測試數據以及失效破壞狀況較好吻合。通過改進和完善生產工藝，解決了殼體芯材過熱問題，最終葉片順利地通過了靜力加載試驗。

風機葉片，靜力加載，失效破壞，模擬分析

0　引言

隨著風力發電機組單機容量的不斷增大，風機葉片的長度快速增加，目前，國內海上風機葉片已長達75 m；國外SSP公司83.5 m長的風電葉片已經投入實際運行，另外，已有公司開始了100 m長的風電葉片研發。風電葉片長度增加，雖提升了風輪捕獲風能的能力，提高了風機的發電量，但同時也使風機葉片自身承受的載荷急劇增加，因而對大葉片的結構安全性要求更高，制造工藝難度也更大。尤其是對于大型海上風機葉片，由于機組投資成本以及維護成本都非常高，葉片的安全性直接關系到整個機組的安全性，因而對葉片的結構安全性更要高度重視。

鑒于風機葉片結構復雜，相關國際和國內認證標準要求，新型號葉片在投入生產前必須經過靜力試驗驗證。靜力試驗是驗證風機葉片結構靜強度以及穩定性是否滿足安全運行的重要方法之一，如果葉片在試驗過程中發生結構失效破壞，就表明葉片的設計或生產制造還存在一定問題，需詳細分析和查找原因，以便進一步改進結構設計和完善生產制造工藝。以下是結合試驗測試數據以及通過有限元方法、FOCUS軟件，對某大型風機葉片靜力加載失效破壞原因進行了分析。

1　葉片靜力加載試驗

圖1　靜力試驗加載圖

圖2　試驗葉片24.2 m截面失效破壞

1.2葉片測試數據分析

在試驗葉片失效前，對葉片的質量屬性和頻率分別進行了測試，同時在加載過程中對葉片各個加載截面的變形和特定位置的應變值進行了監測。測試數據與設計值相比，試驗葉片質量偏差2.59%，重心位置偏差1.33%，符合設計要求。

表1　試驗葉片固有頻率測試值與設計值的對比

由表1可知，試驗葉片的固有頻率測試值與設計值偏差均小于5%，符合設計要求，表明了試驗葉片的剛度和質量分布與設計值吻合較好。

表2為100%額定載荷下，試驗葉片相應截面的位移測試值與設計值的對比。由表2可知，5個加載點的載荷均到了100%試驗額定載荷，而且位移測試值與計算值的偏差均滿足設計要求允許的±7%偏差范圍。

1.1葉片失效破壞現象描述

試驗葉片在進行揮舞正方向的靜力加載試驗時，壓力側 （PS）殼體受拉伸，吸力側 （SS）殼體受壓縮 （見圖1），當加載載荷達到100%試驗額定載荷并保持約8 s后，葉片在SS側后緣殼體約24.2 m截面發生失效破壞 （見圖2），而PS側殼體24.2 m截面區域，主梁帽以及殼體基本未見嚴重的結構損傷破壞。

表2　100%額定試驗載荷下各加載點載荷以及位移測試值與設計值的對比

表3為100%額定試驗載荷時，葉片PS和SS側主梁帽中心區域的應變測試值與設計值的對比。表中的數據表明，除SS側7 m主梁帽中心應變值偏差達到17.8%外，其它主梁帽區域的應變測試值與設計值都能較好吻合，偏差均在±10%范圍內。

表3 100%額定試驗載荷下主梁帽區域應變測試值與設計值的對比

由以上試驗測試數據可知，該試驗葉片的頻率以及位移變形的測試值與設計值偏差都符合設計要求，由此表明該試驗葉片的實際剛度與設計剛度較好符合。直至葉片失效破壞前，所有應變監測點的應變值都呈很好的線性變化，并未明顯的突變，而且葉片主梁帽以及殼體監測區域的應變測試值與計算值都較好吻合。由此可知，試驗葉片的結構靜強度沒有問題，葉片的失效破壞應屬于結構失穩破壞。

2　葉片失效原因分析

為了分析試驗葉片發生失穩破壞的原因，分別從原材料、設計、制造、試驗、結構失效影響等方面進行了研究分析。通過檢查，并未發現葉片原材料、葉片設計以及試驗的實施過程存在導致葉片發生失穩破壞的原因。但破壞現場檢查發現，試驗葉片SS側殼體破壞區域存在明顯的PVC芯材過熱變色現象 （葉片SS側23～26 m后緣殼體存在PVC芯材過熱變色），詳見圖3。

該試驗葉片PS側殼體和SS側殼體所有PVC芯材過熱變色區域以及過熱程度的統計分別見圖4和圖5。由圖5可以看出，葉片SS側殼體存在較多的PVC芯材過熱區域。通常PVC芯材過熱后，將在一定程度上影響其剪切性能，芯材的剪切性能又將直接影響玻璃鋼夾芯結構的穩定性，因而以下著重分析研究了PVC芯材過熱對試驗葉片結構穩定性的影響。

圖3　殼體PVC芯材過熱變色后與正常狀態的對比

圖4 PS 側殼體PVC 芯材過熱變色區域統計

圖5　SS側殼體PVC芯材過熱區域統計

2.1過熱對PVC芯材力學性能的影響

由于從試驗葉片上取下的過熱夾芯結構樣本尺寸不規則，無法制成較為標準的試驗件對PVC芯材的剪切強度進行有效測試。通過在試驗室模擬PVC夾芯結構過熱并進行了力學性能測試，發現過熱后PVC芯材的剪切模量下降了11.29%，玻璃鋼夾芯結構的剝離強度下降了26.9%。由于試驗室難于準確模擬葉片成型過程中的實際過熱現象，因而測試數據并不能準確反映真實情況，但過熱導致PVC芯材力學性能的變化趨勢可以被參考。

根據試驗模擬測試結果，PVC芯材過熱后，將會導致其剪切性能下降，芯材剪切性能又直接影響葉片殼體的穩定性能。為了進一步分析芯材過熱對葉片殼體結構的穩定性影響，假定了不同過熱程度PVC芯材的剪切模量 （見表4），并參考圖4和圖5，在FOCUS和有限元模型里調整了葉片殼體相應區域PVC夾芯材料的剪切模量。

表4　PVC芯材過熱后剪切模量的分析參考值

2.2殼體PVC芯材過熱對葉片結構靜強度的影響

通過有限元方法分別計算分析了殼體PVC芯材過熱前后對葉片結構靜強度的影響，表5為PVC過熱前后葉片SS側主梁帽中心區域沿葉片軸向的應變比值。由表5可知，殼體PVC芯材過熱，剪切模量下降后，并不會對葉片的結構靜強度造成明顯影響。因此，該試驗葉片PVC芯材過熱后，不會引起結構靜強度的破壞，試驗葉片應該屬于失穩破壞。

表5　葉片PVC芯材過熱前后SS側主梁帽中心區域應變比值表

2.3殼體PVC芯材過熱對葉片結構穩定性的影響

采用FOCUS和有限元方法，分別對試驗葉片殼體PVC芯材正常以及過熱后的穩定性進行了分析。FOCUS模型可以對葉片單個截面的穩定性進行分析，有限元模型可對葉片的整體結構穩定性進行分析。

2.3.1葉片截面穩定性分析

基于葉片FOCUS模型，對葉片每個截面在試驗工況下的穩定性進行了計算，發現PVC正常時，葉片的失穩危險截面在21.6～22 m，失穩載荷系數為1.79，截面失穩模態見圖6。

參照表4調整了FOCUS模型中葉片殼體芯材過熱區域的PVC剪切模量，并對21～26 m截面在揮舞正方向試驗載荷下的穩定性進行了分析，見表6。

FOCUS分析結果表明，當PVC芯材正常時21.6～22 m為安全系數最小截面，當芯材過熱剪切性能下降后，24 m附近截面為安全系數最小截面，即使23～26 m區域PVC為中度過熱 （PVC剪切模量為16 MPa），24 m附近截面仍為安全系數最小截面，該結果與試驗葉片失效位置吻合。

圖6　揮舞正試驗載荷下葉片21.6 m截面SS側殼體失穩模態

表6　殼體PVC芯材過熱對葉片穩定性的影響

當PVC芯材過熱剪切性能下降后，24 m附近截面SS側殼體的失穩模態也由中部失穩變為了靠近主梁帽邊緣失穩 （見圖7），該現象與試驗葉片失效狀態非常吻合。

圖7　SS側24.1 m后緣殼體失穩模態

2.3.2葉片整體結構穩定性分析

表7為葉片殼體PVC芯材過熱對葉片整體結構穩定性影響的有限元分析結果。由表7可知，當PVC芯材正常時，需達到1.900 1倍試驗額定載荷，試驗葉片才會發生殼體結構失穩，失穩位置在SS側后緣殼體21.65 m處，見圖8。根據葉片殼體芯材實際過熱情況，參照表4調整殼體PVC芯材剪切性能后，當達到1.664 3倍額定試驗載荷時，試驗葉片在SS后緣殼體24 m處 （距主梁帽邊緣0.1 m）發生失穩，見圖9。

表7　殼體PVC芯材過熱對葉片穩定性的影響

圖8　荷載因子為1.900 1時SS后緣殼體21.65 m失穩

圖9　荷載因子為1.664 3時SS后緣殼體24 m失穩

有限元分析結果表明，當PVC芯材未過熱時，試驗葉片在小于1.900 1倍試驗載荷下都不會發生失穩破壞，21.65 m截面是安全系數最小的截面；當PVC芯材過熱后，葉片的穩定性顯著下降，24 m截面成為了安全系數最小的截面，當達到1.664 3倍試驗載荷時，SS側后緣24 m附近殼體將發生失穩。

由上述模擬分析可知，試驗葉片芯材過熱后，葉片殼體的穩定性顯著下降，并且危險截面位置也會發生變化。FOCUS和有限元兩者的分析結果是一致的：PVC芯材正常時，揮舞正方向試驗葉片的最小安全裕度截面為21.65 m附近截面；當考慮芯材過熱、剪切模量下降后，24 m附近截面成為了最小安全裕度截面，與試驗葉片失效破壞位置很好吻合。

3　結論

試驗測試結果表明，試驗葉片的頻率、位移以及應變測試值與理論計算值很好吻合，試驗葉片的靜強度滿足設計要求；FOCUS軟件以及有限元模擬分析結果表明，PVC芯材過熱，葉片SS側24.2 m截面后緣殼體首先發生失穩是導致試驗葉片發生失效破壞的根本原因，模擬分析與試驗測試結果很好吻合。參考模擬分析結果，進一步改進和完善生產制造工藝，消除了殼體PVC芯材過熱問題，再次試制并成功通過了靜力加載試驗。由此，也驗證了葉片失效破壞原因模擬分析的準確性。同時試驗也表明，在生產中要嚴格控制操作工藝，避免芯材過熱，造成葉片穩定性下降。

Analysis of Static Loading Test Failure for a Large Wind Turbine Blade

Yang Senlin，Huang Yongdong，Zhong Xianhe，Qi Zhonghao，Wang Feng

（Dongfang Electric Wind Power Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Static loading test is one significant method to verify whether the static strength and stability of wind turbine blade structure are satisfied with the design requirement.This paper focuses on the analysis of static loading test failure for a large wind turbine blade by test data analysis and the method of FOCUS and FEA.The analysis result shows that the root reason of blade shell failure is the decrease of PVC core material's shear modulus due to overheating.The result of simulation analysis coincide well with the test data and the status of blade failure during the static test.The problem of core-overheating is solved for the second test blade by improving manufacturing methods.Meanwhile the second test blade passes the static loading test successfully.

wind turbine blade，static loading，failure，simulation analysis

TK83

A

1674-9987（2015）02-0025-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.005

羊森林 （1985－），男，工學碩士，2009年畢業于四川大學材料加工工程專業，現從事風電葉片設計工作。