不同尺寸褶皺對風電葉片主梁性能的影響研究

文 | 趙春妮，劉清，陳文光，李軍向

風電葉片的主梁主要由單向纖維成型，單向復合材料結構的典型設計極限是壓縮強度極限。眾所周知，纖維的直線度對復合材料的壓縮強度有很大的影響。纖維在鋪層或固化過程中產生的褶皺會使局部應力狀態惡化，導致局部基體屈服、纖維微屈曲和扭結或在纖維/基體界面發生斷裂。因此，褶皺的存在會大幅降低葉片的強度，最終導致葉片提前失效。葉片作為風電機組的重要部件，成本占整機制造成本的22%左右，再加上發電量的損失、葉片的運輸和吊裝成本，葉片失效造成的損失無疑是巨大的。

當前，行業已經意識到了褶皺的危害，也開展了很多關于褶皺的研究，包括定性和定量分析。定性分析主要是從褶皺產生機理出發，從材料、工藝、模具、檢驗、人員、標準以及修復等方面對產生褶皺缺陷的主要原因進行研究分析；定量分析包括有限元仿真分析和試驗對比分析：有限元分析通過建立含褶皺的有限元模型，分析受壓狀態下，褶皺不同層數、寬度、高寬比等因素對風電葉片強度的不同影響；試驗分析通過制作不同類型的褶皺試件，對比不同高寬比、不同偏移角度的褶皺對葉片主梁材料疲勞性能的影響。其中，西門子公司與美國西北大學對其合作制作的褶皺試件進行了靜力、疲勞測試，并詳細記錄了褶皺的發展過程，該研究增進了行業對褶皺的認識。

然而，當前針對褶皺的已有研究并不全面，不能涵蓋實際運維中經常遇到的問題。本文試圖從仿真的角度對如下問題進行解答：（1）當前主要以褶皺的高寬比來描述褶皺尺寸和比較褶皺性能，相同高寬比、不同尺寸的褶皺性能差別有多大？（2）當褶皺缺陷占主梁寬度的比例較小時，如何判斷褶皺缺陷對主梁性能的影響？（3）早期由于對褶皺的危害認識不足，相當數量存在褶皺缺陷的葉片被發往風電場，在褶皺損傷出現的早期，是否可以通過合適的方式予以排查？

圖1 褶皺尺寸

葉片褶皺的模型建立與仿真計算

本文以某長40m、主梁寬度420mm 的葉片為例進行研究。褶皺各尺寸參數分別為：高度2mm、底部寬度35mm、頂部寬度42mm、褶皺長度420mm。

一、褶皺模型建立

在葉片的設計和校核過程中，使用的是復合材料層合板的“表觀”性能，即將復合材料單層視為均質材料，而沒有考慮它由兩種或多種組分材料構成這一事實。然而，根據對褶皺損傷的觀察和國外的測試結果，褶皺的初始損傷出現在樹脂上。為了得到更加精確的結果，本次模型按照細觀力學的思想，將樹脂和玻纖按照體積比分層建立。為了更加方便地描述褶皺的各個尺寸，如圖1 所示定義各尺寸：Ls 表示主梁的長度，Ws 表示主梁的寬度，Lc 表示過渡區域的長度，Lw 表示褶皺的長度，Wt 表示褶皺頂部的寬度，Wb 表示褶皺底部的寬度，H 表示褶皺的高度。

為了簡化褶皺模型，首先建立無褶皺的葉片整體模型，然后對葉片整體有限元模型加載設計疲勞載荷。在設計疲勞載荷My 的作用下，得到L20m 附近PS 面主梁上軸向最大應力為73.6MPa，根據此應力計算得到褶皺模型的等效拉力為1238520.2N。

褶皺模型寬度和鋪層按照上述葉片距葉根20m 位置實際寬度和鋪層設定，褶皺尺寸按照測得尺寸設定，建立長度為1m 的平板有限元模型。取樹脂與玻纖的體積比為53:47，褶皺弧線參照實際模型采用同心圓建立，并與平面區域進行倒角處理，所建模型如圖2 所示，綠色區域代表樹脂，紫色區域代表玻纖。將模型一端固支，根據葉片整體有限元模型計算得到的應力，在另一端施加等效拉力。

二、褶皺模型分析

根據GL 規范，葉片容許載荷循環次數N 應按下式確定：

式中，Skm為特征載荷平均值；Ska為特征載荷幅值；Rkt為結構元件拉伸強度特征值；Rkc為結構元件壓縮強度特征值；m為S-N曲線斜率，m＝10。

圖2 褶皺模型

圖3 褶皺位置樹脂應力

圖4 褶皺位置玻纖應力

樹脂是各向同性的材料，需要綜合考慮各個方向的應力。如圖3 所示，分析得到褶皺區域樹脂材料mises 等效應力分布。在疲勞載荷作用下，樹脂最大等效應力出現在褶皺邊緣區域，為22.6MPa。對于樹脂可使用年限的計算方法，國內外尚無較為成熟的理論，暫選用Goodman 公式進行計算。樹脂材料拉伸強度取67MPa，S-N 疲勞曲線取斜率m=8。考慮到老化、溫度、后固化影響，取折減系數為1.634，計算得到樹脂壽命小于1 年（0.06 年）；若不考慮上述因素的影響，取折減系數為1 時，計算可得樹脂壽命為3.05 年。

圖5 試驗過程

圖6 相同高寬比、不同褶皺高度的樹脂應力

表1 相同高寬比、不同褶皺高度的樹脂應力

表2 相同高寬比、不同褶皺長度的樹脂應力

玻纖在纖維主方向的應力為240.5MPa，同樣按上述方法，考慮折減系數為1.485 時，玻纖壽命為6.5 年；若折減系數為1，玻纖壽命為339 年。

三、褶皺模型分析結果與國外試驗結果對比

西門子公司與美國西北大學合作對多種尺寸的褶皺試件（長寬高尺寸為275mm×13mm×30mm，褶皺寬度為7～11 mm，高度為2～3mm）進行了測試，并詳細記錄褶皺從初始損傷到失效的全部過程，疲勞試驗取應力比 R=－1，測得同樣大小、無褶皺的式樣可循環次數為2E6，發現多數式樣可循環次數在1E3 與8E5 之間，在目標循環次數完成之前就發生了失效。疲勞試驗中得到的失效區域與圖3 一致，發生在褶皺的邊緣位置。典型的損傷擴展過程如圖 5 所示：（a）初始式樣無損傷；（b）褶皺區域厚度出現單一的分層；（c）分層數在式樣厚度方向增加；（d）式樣最終發生失效。

該試驗結果與本文仿真結果一致，二者均表明在葉片運行中褶皺缺陷的初始損傷發生在樹脂上，具體表現為主梁的分層。復合材料的分層會導致透光不均勻，這個特征有助于褶皺損傷早期的檢測和識別。

圖7 相同高寬比、不同褶皺長度的樹脂應力

不同尺寸褶皺對主梁性能的影響

由于褶皺處樹脂早于玻纖失效，以下通過比較不同情況下樹脂的應力獲得褶皺初始損傷的情況。

一、高寬比相同、褶皺高度不同時的應力比較

仍以上述葉片為例，在高寬比相同的情況下，對比不同褶皺高度樹脂的應力情況，各種褶皺尺寸詳見表1，模型建立和計算過程同上文所述，得到應力結果如圖6 所示。

由計算結果可知：高寬比相同時，隨著褶皺高度的增加，樹脂的應力增大—在褶皺高度較小時，隨著褶皺高度增加，應力變化幅度較大；當高度增大到一定值時，隨著褶皺高度增加，應力變化幅度呈減小的趨勢。

二、高寬比相同、褶皺長度不同時的應力比較

部分葉片的褶皺僅占整個主梁寬度的一部分，為分析此類葉片，按照上文方法重新建立褶皺局部模型，有褶皺的區域與無褶皺區域通過斜線過渡，為使過渡較為平滑，過渡區域長度取值為30mm，主梁寬度仍為420mm，剩余部分為無褶皺區域。褶皺不同長度詳見表2，計算過程同上文所述，得到應力結果如圖7 所示。

由計算結果可知：在褶皺截面尺寸不變的情況下，隨著褶皺長度的增加，褶皺處樹脂應力呈拋物線變化趨勢—當褶皺長度小于主梁寬度的約2/3 時，隨著褶皺長度增加，樹脂應力逐漸增大，當褶皺長度介于主梁寬度的1/3 與2/3之間時，樹脂應力變化幅度在0.5MPa 范圍內；當褶皺長度大于主梁寬度的約2/3 時，隨著褶皺長度增加，樹脂應力反而逐漸減小。

結論

本文分析結果，可為褶皺葉片的排查和檢測提供以下參考：

（1）褶皺缺陷最初始的損傷出現在樹脂上，最先表現為褶皺邊緣處的分層。因此，明確損傷類型，及時發現褶皺早期損傷并進行針對性維修或更換，可以最大程度減低風電場褶皺葉片的運維成本。

（2）相同高寬比的褶皺，隨著高度增加，應力也在增大，只依靠高寬比并不能準確描述褶皺的性能。

（3）在相同高寬比的情況下，長度為主梁寬度的三分之一與等同于整個主梁寬度的褶皺應力接近，因此，不能忽略長度較短褶皺的危害。