骆传龙，李秀海，李军向，顾育慧，张 靖，杨海江
（明阳智慧能源集团股份公司，中山 528437）
风能作为一种清洁能源，长久以来受到世界各国的推崇。随着国家“双碳”政策的推行，风电市场将迎来很长一段时间的繁荣期。在整个风力发电系统中，叶片作为前端捕获风能的机构［1］，经受着复杂多变的载荷工况以及恶劣严苛的生存环境的双重考验。风电叶片结构失效时有发生，尤其以疲劳失效居多［2］， 叶片的疲劳失效也一直是行业内的重点研究问题。
Marı´n J C［3］对一批300 kW风电叶片的疲劳损伤情况进行了研究，发现叶片的表面裂纹、几何过渡不均匀和壳体厚度突变都会增大疲劳应力的幅值，加速疲劳损伤的扩展。
Pan Zujin［4］等在2MW全尺寸叶片的摆振疲劳实验中，发现在叶片最大弦长截面，后缘棱边处形状过渡不均匀引起应力集中，轻木和玻璃钢在厚度过渡处出现分层。在增加芯材厚度、对叶片后缘结构重新设计后，该摆振疲劳损伤的问题得以解决。
Chen Xiao［5］对47 m全尺寸叶片进行了挥舞疲劳实验，将实验前后叶片的弯曲刚度、固有频率和阻尼比分别进行对比分析。发现由挥舞疲劳载荷引起的叶片刚度退化过程和材料的试样级疲劳试验显示的规律相同，即刚度衰减在疲劳的前两个阶段都是由快变慢。相比于叶片刚度，将阻尼比作为评价叶片整体疲劳损伤的指标更实用。
Castro, Oscar［6］等人还指出，叶片在实际运行过程中，同时受到不同方向的弯曲和扭转载荷。而现行的测试标准只针对摆振和挥舞两个方向的疲劳载荷进行测试，所以，叶片结构设计中的风险点在单轴疲劳测试中不能完全暴露。单轴疲劳测试不能完全捕捉到叶片实际运行中可能出现的疲劳损伤。
Peter R Greaves［7］也认为，双轴疲劳实验比分别进行摆振和挥舞方向的单轴疲劳实验更具有代表性，更能真实反映叶片实际运行时的受载状态。他们提出了将摆振疲劳载荷和挥舞疲劳载荷耦合起来的方法，通过选择两种疲劳载荷的合适的相位角，使挥舞和摆振疲劳载荷都满足测试要求。
Chizhi Zhang［8］等以NREL 5MW风机叶片为研究对象，提出了一种基于修正的叶素动量理论评估疲劳损伤的方法。
GL设计规范明确规定了叶片玻璃纤维复合材料在0°方向的疲劳计算方法，而对复合材料在90°方向的疲劳没有明确要求。然而，叶片在进行摆振疲劳测试时，壳体复合材料90°方向的应力也容易使叶片出现疲劳损伤裂纹。叶片在实际正常运行时，内部材料多处于多轴循环应力条件下［9］，仅考虑0°方向的单轴疲劳无法确保叶片实际运行时的疲劳安全性，不能满足实际工程需要。
本文以某70 m级叶片为研究对象，概述了该叶片在摆振疲劳测试中出现的损伤情况，结合有限元疲劳计算结果，分析了引起叶片摆振疲劳损伤的可能原因，并针对性地给出了维修补强方案，同时对补强后的叶片进行疲劳分析，合理地给出了该款叶片摆振疲劳90°方向安全系数的阈值。
1.1 原材料
玻纤布：单轴布/双轴布/三轴布
1.2 设备仪器
激振器：45kW电机，凯日电气
动态应变采集系统：DH5921，东华测试
应变片：BE120-10AA-P150，中航电测
1.3 疲劳测试装置
叶片疲劳实验依据风电叶片全尺寸测试（标准IEC 61400-23）［10］执行，摆振疲劳测试预计进行400万 次循环。叶片安装角为0°，以后缘向下的姿态安装在测试平台上，如图1。采用单点共振恒幅加载方式，在L45 m位置安装带有偏心质量的驱动电机给叶片施加恒定的疲劳载荷，激振器与配重合计1600 kg。为使叶片各截面均能达到疲劳测试的目标载荷，同时避免叶根弯矩过大，将叶片L50 m至叶尖截断。
图1 叶片摆振疲劳实验装置
1.4 损伤描述
测试样片先进行静力测试，完成静力测试检查并确认叶片无异常后开始进行疲劳测试，在摆振疲劳测试载荷循环次数达到5万次时，对叶片进行例行外观检查，发现叶片PS面后缘在壳体外表面出现轴向微裂纹，如图2所示。微裂纹分布在叶片轴向L5～L7 m，距离后缘合模缝约0.8 m的位置，微裂纹损伤面积约为900 mm×120 mm。对叶片内腔进行检查时，发现在SS面后缘芯材与后缘梁过渡区域出现发白损伤，微裂纹分布在轴向L3.5～L6m范围内，损伤区域的宽度约为180 mm，如图3所示。
图2 PS面外表面后缘微裂纹
1.5 疲劳分析方法
复核该叶片的结构铺层图纸，图2和图3中叶片出现疲劳失效的位置是由3AX1350H［0°,±30°］玻纤布、3AX880H［0°,±30°］玻纤布和Balsa三种材料复合成的夹芯板结构。表1列出了该叶片主要材料的材料属性，表2为两种三轴玻纤布的拉伸和压缩强度。
图3 SS面内表面后缘微裂纹
表1 叶片主材的材料属性
表2 三轴布的拉伸和压缩强度
本文针对该测试叶片的摆振疲劳进行了有限元分析。采用Focus软件建立叶片铺层结构模型，进行网格尺寸设置后导出有限元模型。在ANSYS中进行疲劳计算并提取单元横向应力进行后处理。后处理计算过程中，主要使用GL设计规范中对叶片复合材料0°方向疲劳的计算方法，将该计算方法等效应用于90°方向的疲劳安全系数计算。材料在疲劳载荷下的许用循环次数计算方法如下：
公式（1）中，在叶片摆振疲劳实验中，可以认为平均应力。将式（1）简化后得：
将简化后的材料疲劳许用循环次数计算公式（2）结合疲劳的线性累计损伤理论，编写成ANSYS APDL命令流。将叶片各组分材料的疲劳安全系数云图与叶片在摆振疲劳测试中裂纹损伤位置结合起来分析疲劳失效原因。
3AX1350H［0°,±30°］玻纤布的摆振疲劳安全系数云图如图4。图4中疲劳危险区域分布在PS面和SS面后缘面板上，轴向L2.9～L6.9m，弦向距离后缘合模缝0.79 m～1.32 m区间内。而测试样片实际出现摆振疲劳微裂纹也是在轴向L5～L7 m范围内，距离后缘0.80 m的位置，与图4中有限元计算出的摆振疲劳危险区域基本一致。
图4中3AX1350H［0°,±30°］玻纤布的疲劳危险区域基本沿后缘合模缝对称分布，且PS面的危险区域面积更大，疲劳安全系数更小。在合模缝两侧，芯材和后缘梁交界的位置，也有呈条带状展向分布的疲劳失效发生。提取单元横向应力进行后处理计算，摆振疲劳安全系数的最小值为0.21。
图4 3AX1350H[0°,±30°]材料的疲劳安全系数云图
3AX880H［0°,±30°］玻纤布在摆振疲劳载荷下的安全系数云图如图5。图5中疲劳危险区域主要分布在PS面后缘面板以及后缘芯材与后缘梁交界的区域。PS面摆振疲劳损伤发生在轴向L2.4～L5.3m，弦向距离后缘合模缝0.76m～1.20m区间内。相对于3AX1350H［0°,±30°］玻纤布，3AX880H［0°,±30°］玻纤布的疲劳危险区域面积更小。其摆振疲劳安全系数的最小值为0.25，大于3AX1350H［0°,±30°］玻纤布的0.21。
图5 3AX880H[0°,±30°]材料的疲劳安全系数云图
在对测试样片的摆振疲劳损伤情况进行现场排查以后，结合有限元计算结果，认为引起摆振疲劳损伤的可能原因是叶根段玻纤布材料铺层在90°方向纤维体积分数低，导致壳体层合板结构在摆振方向的拉伸和压缩强度均偏低。尝试采用2AX808H［±45°］的双轴玻纤布对叶片后缘进行补强。补强时，先对疲劳损伤区域的壳体打磨并加工错层，再进行真空灌注维修。具体的维修补强方案中叶片后缘外腔补强布铺层见表3，内腔补强布铺层见表4。在Focus软件中建立的补强布铺层示意图如图6所示。
图6 叶片后缘补强铺层
表3 PS/SS面外腔补强铺层
表4 PS/SS面内腔补强铺层
该叶片在经过上述维修补强以后，再次进行了疲劳测试并顺利通过。对补强后叶片的摆振疲劳重新计算，尝试从维修补强方案中总结出一个评价摆振疲劳安全系数的阈值，用于指导后续的叶片结构设计工作。
维修补强后，3AX1350H［0°,±30°］玻纤布在摆振疲劳载荷下的最小安全系数从0.21增加到0.31。图7显示的是安全系数低于0.54的区域，发现安全系数低于0.54的单元较少，疲劳失效单元仍然分布在后缘合模缝两侧。部分单元发生疲劳失效是网格不规则引起单元应力突变造成的。原来存在于叶片后缘壳体上的3AX1350H［0°,±30°］玻纤布大面积疲劳失效在补强后得到了显著改善。
图7 补强后3AX1350H[0°,±30°]疲劳安全系数云图
3AX880H［0°,±30°］玻纤布的摆振疲劳最小安全系数从0.25增加到0.36，其最小安全系数云图如图8所示。叶片PS面和SS面壳体上基本没有3AX880H［0°,±30°］玻纤布的疲劳失效发生，整体疲劳安全系数都在0.54以上。
图8 补强后3AX880H[0°,±30°]疲劳安全系数云图
根据以上对两种三轴玻纤布的摆振疲劳计算结果，发现在采用2AX808H［±45°］双轴玻纤布进行补强以后，叶片壳体上3AX1350H［0°,±30°］和3AX880H［0°,±30°］玻纤布的摆振疲劳安全系数都大于0.54，且叶片补强后顺利通过了疲劳测试。因此，可以将0.54作为该款叶片摆振疲劳安全系数的阈值。也证实了摆振疲劳损伤与壳体玻纤布90°方向纤维含量低有关，采用2AX808H［±45°］双轴玻纤布补强能有效地改善叶片的摆振疲劳90°方向损伤状况。
本文概述了某70 m级叶片在摆振疲劳测试中出现的疲劳损伤情况，并结合有限元计算，分析了引起摆振疲劳损伤的可能原因。认为叶片壳体玻纤布铺层在90°方向纤维体积分数低是导致摆振疲劳损伤的原因之一，而采用2AX808H［±45°］双轴玻纤布能有效地改善叶片的摆振疲劳损伤状况。通过对补强后叶片的摆振疲劳的分析，认为可以将0.54作为该叶片摆振疲劳90°方向安全系数的阈值。本文为叶片设计人员分析摆振疲劳提供了一种新思路，也为摆振疲劳损伤的维修提供了一种行之有效的方案。
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