某大型风机叶片静力加载失效破坏原因分析

羊森林，黄永东，钟贤和，戚中浩，王锋

（东方电气风电有限公司，四川 德阳，618000）

某大型风机叶片静力加载失效破坏原因分析

羊森林，黄永东，钟贤和，戚中浩，王锋

（东方电气风电有限公司，四川 德阳，618000）

静力加载试验是验证风电叶片结构静强度以及稳定性是否满足设计要求的重要方法。文章结合试验测试数据以及采用FOCUS软件和有限元方法，对某大型风机叶片的静力加载失效破坏进行了分析。分析结果表明，PVC芯材过热引起剪切模量下降，是导致叶片壳体失效破坏的主要原因。模拟分析结果与试验测试数据以及失效破坏状况较好吻合。通过改进和完善生产工艺，解决了壳体芯材过热问题，最终叶片顺利地通过了静力加载试验。

风机叶片，静力加载，失效破坏，模拟分析

0　引言

随着风力发电机组单机容量的不断增大，风机叶片的长度快速增加，目前，国内海上风机叶片已长达75 m；国外SSP公司83.5 m长的风电叶片已经投入实际运行，另外，已有公司开始了100 m长的风电叶片研发。风电叶片长度增加，虽提升了风轮捕获风能的能力，提高了风机的发电量，但同时也使风机叶片自身承受的载荷急剧增加，因而对大叶片的结构安全性要求更高，制造工艺难度也更大。尤其是对于大型海上风机叶片，由于机组投资成本以及维护成本都非常高，叶片的安全性直接关系到整个机组的安全性，因而对叶片的结构安全性更要高度重视。

鉴于风机叶片结构复杂，相关国际和国内认证标准要求，新型号叶片在投入生产前必须经过静力试验验证。静力试验是验证风机叶片结构静强度以及稳定性是否满足安全运行的重要方法之一，如果叶片在试验过程中发生结构失效破坏，就表明叶片的设计或生产制造还存在一定问题，需详细分析和查找原因，以便进一步改进结构设计和完善生产制造工艺。以下是结合试验测试数据以及通过有限元方法、FOCUS软件，对某大型风机叶片静力加载失效破坏原因进行了分析。

1　叶片静力加载试验

图1　静力试验加载图

图2　试验叶片24.2 m截面失效破坏

1.2叶片测试数据分析

在试验叶片失效前，对叶片的质量属性和频率分别进行了测试，同时在加载过程中对叶片各个加载截面的变形和特定位置的应变值进行了监测。测试数据与设计值相比，试验叶片质量偏差2.59%，重心位置偏差1.33%，符合设计要求。

表1　试验叶片固有频率测试值与设计值的对比

由表1可知，试验叶片的固有频率测试值与设计值偏差均小于5%，符合设计要求，表明了试验叶片的刚度和质量分布与设计值吻合较好。

表2为100%额定载荷下，试验叶片相应截面的位移测试值与设计值的对比。由表2可知，5个加载点的载荷均到了100%试验额定载荷，而且位移测试值与计算值的偏差均满足设计要求允许的±7%偏差范围。

1.1叶片失效破坏现象描述

试验叶片在进行挥舞正方向的静力加载试验时，压力侧 （PS）壳体受拉伸，吸力侧 （SS）壳体受压缩 （见图1），当加载载荷达到100%试验额定载荷并保持约8 s后，叶片在SS侧后缘壳体约24.2 m截面发生失效破坏 （见图2），而PS侧壳体24.2 m截面区域，主梁帽以及壳体基本未见严重的结构损伤破坏。

表2　100%额定试验载荷下各加载点载荷以及位移测试值与设计值的对比

表3为100%额定试验载荷时，叶片PS和SS侧主梁帽中心区域的应变测试值与设计值的对比。表中的数据表明，除SS侧7 m主梁帽中心应变值偏差达到17.8%外，其它主梁帽区域的应变测试值与设计值都能较好吻合，偏差均在±10%范围内。

表3 100%额定试验载荷下主梁帽区域应变测试值与设计值的对比

由以上试验测试数据可知，该试验叶片的频率以及位移变形的测试值与设计值偏差都符合设计要求，由此表明该试验叶片的实际刚度与设计刚度较好符合。直至叶片失效破坏前，所有应变监测点的应变值都呈很好的线性变化，并未明显的突变，而且叶片主梁帽以及壳体监测区域的应变测试值与计算值都较好吻合。由此可知，试验叶片的结构静强度没有问题，叶片的失效破坏应属于结构失稳破坏。

2　叶片失效原因分析

为了分析试验叶片发生失稳破坏的原因，分别从原材料、设计、制造、试验、结构失效影响等方面进行了研究分析。通过检查，并未发现叶片原材料、叶片设计以及试验的实施过程存在导致叶片发生失稳破坏的原因。但破坏现场检查发现，试验叶片SS侧壳体破坏区域存在明显的PVC芯材过热变色现象 （叶片SS侧23～26 m后缘壳体存在PVC芯材过热变色），详见图3。

该试验叶片PS侧壳体和SS侧壳体所有PVC芯材过热变色区域以及过热程度的统计分别见图4和图5。由图5可以看出，叶片SS侧壳体存在较多的PVC芯材过热区域。通常PVC芯材过热后，将在一定程度上影响其剪切性能，芯材的剪切性能又将直接影响玻璃钢夹芯结构的稳定性，因而以下着重分析研究了PVC芯材过热对试验叶片结构稳定性的影响。

图3　壳体PVC芯材过热变色后与正常状态的对比

图4 PS 侧壳体PVC 芯材过热变色区域统计

图5　SS侧壳体PVC芯材过热区域统计

2.1过热对PVC芯材力学性能的影响

由于从试验叶片上取下的过热夹芯结构样本尺寸不规则，无法制成较为标准的试验件对PVC芯材的剪切强度进行有效测试。通过在试验室模拟PVC夹芯结构过热并进行了力学性能测试，发现过热后PVC芯材的剪切模量下降了11.29%，玻璃钢夹芯结构的剥离强度下降了26.9%。由于试验室难于准确模拟叶片成型过程中的实际过热现象，因而测试数据并不能准确反映真实情况，但过热导致PVC芯材力学性能的变化趋势可以被参考。

根据试验模拟测试结果，PVC芯材过热后，将会导致其剪切性能下降，芯材剪切性能又直接影响叶片壳体的稳定性能。为了进一步分析芯材过热对叶片壳体结构的稳定性影响，假定了不同过热程度PVC芯材的剪切模量 （见表4），并参考图4和图5，在FOCUS和有限元模型里调整了叶片壳体相应区域PVC夹芯材料的剪切模量。

表4　PVC芯材过热后剪切模量的分析参考值

2.2壳体PVC芯材过热对叶片结构静强度的影响

通过有限元方法分别计算分析了壳体PVC芯材过热前后对叶片结构静强度的影响，表5为PVC过热前后叶片SS侧主梁帽中心区域沿叶片轴向的应变比值。由表5可知，壳体PVC芯材过热，剪切模量下降后，并不会对叶片的结构静强度造成明显影响。因此，该试验叶片PVC芯材过热后，不会引起结构静强度的破坏，试验叶片应该属于失稳破坏。

表5　叶片PVC芯材过热前后SS侧主梁帽中心区域应变比值表

2.3壳体PVC芯材过热对叶片结构稳定性的影响

采用FOCUS和有限元方法，分别对试验叶片壳体PVC芯材正常以及过热后的稳定性进行了分析。FOCUS模型可以对叶片单个截面的稳定性进行分析，有限元模型可对叶片的整体结构稳定性进行分析。

2.3.1叶片截面稳定性分析

基于叶片FOCUS模型，对叶片每个截面在试验工况下的稳定性进行了计算，发现PVC正常时，叶片的失稳危险截面在21.6～22 m，失稳载荷系数为1.79，截面失稳模态见图6。

参照表4调整了FOCUS模型中叶片壳体芯材过热区域的PVC剪切模量，并对21～26 m截面在挥舞正方向试验载荷下的稳定性进行了分析，见表6。

FOCUS分析结果表明，当PVC芯材正常时21.6～22 m为安全系数最小截面，当芯材过热剪切性能下降后，24 m附近截面为安全系数最小截面，即使23～26 m区域PVC为中度过热 （PVC剪切模量为16 MPa），24 m附近截面仍为安全系数最小截面，该结果与试验叶片失效位置吻合。

图6　挥舞正试验载荷下叶片21.6 m截面SS侧壳体失稳模态

表6　壳体PVC芯材过热对叶片稳定性的影响

当PVC芯材过热剪切性能下降后，24 m附近截面SS侧壳体的失稳模态也由中部失稳变为了靠近主梁帽边缘失稳 （见图7），该现象与试验叶片失效状态非常吻合。

图7　SS侧24.1 m后缘壳体失稳模态

2.3.2叶片整体结构稳定性分析

表7为叶片壳体PVC芯材过热对叶片整体结构稳定性影响的有限元分析结果。由表7可知，当PVC芯材正常时，需达到1.900 1倍试验额定载荷，试验叶片才会发生壳体结构失稳，失稳位置在SS侧后缘壳体21.65 m处，见图8。根据叶片壳体芯材实际过热情况，参照表4调整壳体PVC芯材剪切性能后，当达到1.664 3倍额定试验载荷时，试验叶片在SS后缘壳体24 m处 （距主梁帽边缘0.1 m）发生失稳，见图9。

表7　壳体PVC芯材过热对叶片稳定性的影响

图8　荷载因子为1.900 1时SS后缘壳体21.65 m失稳

图9　荷载因子为1.664 3时SS后缘壳体24 m失稳

有限元分析结果表明，当PVC芯材未过热时，试验叶片在小于1.900 1倍试验载荷下都不会发生失稳破坏，21.65 m截面是安全系数最小的截面；当PVC芯材过热后，叶片的稳定性显著下降，24 m截面成为了安全系数最小的截面，当达到1.664 3倍试验载荷时，SS侧后缘24 m附近壳体将发生失稳。

由上述模拟分析可知，试验叶片芯材过热后，叶片壳体的稳定性显著下降，并且危险截面位置也会发生变化。FOCUS和有限元两者的分析结果是一致的：PVC芯材正常时，挥舞正方向试验叶片的最小安全裕度截面为21.65 m附近截面；当考虑芯材过热、剪切模量下降后，24 m附近截面成为了最小安全裕度截面，与试验叶片失效破坏位置很好吻合。

3　结论

试验测试结果表明，试验叶片的频率、位移以及应变测试值与理论计算值很好吻合，试验叶片的静强度满足设计要求；FOCUS软件以及有限元模拟分析结果表明，PVC芯材过热，叶片SS侧24.2 m截面后缘壳体首先发生失稳是导致试验叶片发生失效破坏的根本原因，模拟分析与试验测试结果很好吻合。参考模拟分析结果，进一步改进和完善生产制造工艺，消除了壳体PVC芯材过热问题，再次试制并成功通过了静力加载试验。由此，也验证了叶片失效破坏原因模拟分析的准确性。同时试验也表明，在生产中要严格控制操作工艺，避免芯材过热，造成叶片稳定性下降。

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，工学硕士，2009年毕业于四川大学材料加工工程专业，现从事风电叶片设计工作。