于流固耦合的风力机叶片疲劳破坏分析

赵海新

摘要：在研究大型风力机由于疲劳破坏产生的影响的过程中，分析流固耦合条件下风力机的叶片应力具有重要作用。相关研究数据显示，应力从叶间到叶片后缘处不断变大，在风力机叶片的根部处应力达到最大值为5.5兆帕左右，在这种情况下很容易造成叶片受损，与实际情况相结合可以发现受损部位与经常出现的叶片断裂部位相吻合。通过本篇文章对风力机叶片的原理及作用进行分析，并且对风力机在使用过程中的载核问题以及结构交接问题做出探讨。

关键词：流固耦合；风力机叶片；疲劳破坏

不断的对风力机叶片做出改善的主要作用是为了加强风能的转化度，再让风力机叶片的模型不断简化的优化的基础上，才可以进行一些理论性的数据计算和分析，实际操作过程中，风力机工作时的一些复杂问题很难做出准确的分析和判断，但是合理的运用仿真技术可以达到预判的效果。

1.风力机叶片流固耦合模型的分析

前些年在进行风力机叶片简化设计师通常直接把叶片变成截面悬臂梁式，设计者把风的动力效应与静风力载荷的效果近似为同一数值。但是在风力机的实际运转环境中，受到自然环境的影响是很大的：风的级数不同、空气流速随机变化、风力机突然启动或暂停等情况都会使风力机叶片上的载荷发生变化，使得其与风的动力效应数值有一定的偏差。这是因为前些年设计者在设计过程中，没有把叶片结构的耦合作用和风的荷载变化联系到一起，这种情况很容易造成风力机的损伤降低风力机的使用寿命，不能够保证风力机的正常运行。

随着近些年科技的不断发展，国内外科研人员的研究水平都在提升，一些设计者把对于流固耦合方面的研究引入到了风力机的优化完善工作中来。一些研究人员在进行流固耦合的风力机叶片结构稳定性分析的过程中证实了叶片模型的重量与它的层次结构之间有很大的关系，而且风力机的叶片在运行过程中很容易出现变形和弯曲现象，这些位置基本都出现在几何突变处结构设计比较薄的位置，因此叶片的材料厚度和材料品质还要不断加强。通过研究人员对风力大小进行完整分析，并使用各种公式和方程对风力机所处环境的风速进行模拟和预测，在此基础上把气动性能的流固耦合技术投入到风力机叶片的优化工作中。通过分析国内外研究者发表的论文可以发现，在固体结构应力的开展与研究中使用流固耦合技术，比使用加载流体载荷方式达到的效果更好。不过现阶段我国进行流固耦合的风力机叶片结构强度研究工作的人员还比较少，所以我们还要不断的加强此项工作的研究力度，尤其是全尺寸叶片在流固耦合条件下的研究工作。

2.流固耦合分析

流固耦合的时间节点最好选择在流体运算的1.03秒时刻，通过对流固耦合后叶片压力面和吸立面的分析可以发现：在压力面上应力值比较大的地方主要集中于叶片较宽的位置和叶片中间，因此叶片的这些位置是气动载荷重要的承载位点，在风力机正常运转过程中这些位点是叶片旋转时主要的动力来源。在叶片整体上压力面的应力比吸力面的应力要大很多，在叶片尾端的位置上压力面应力与吸力面应力基本相等，尾端处的应力主要是由于边缘比较薄弱产生的。应力从叶尖到叶片后缘处不断变大，在风力机叶片的根部应力大小最大值可达到5.6兆帕，在这种情况下很容易使叶片受到损伤出现疲劳破坏，这也解答了风力机受损部位的产生的原因是疲劳破坏。

对风力机叶片的动力载荷和旋转惯性载荷变形情况分析可以发现，叶片的总变形量是从叶片的中部开始发生变化的并呈现逐渐增大的趋势，在叶片的叶尖处达到变形位移的最大值，这也强调了叶片在设计过程中进行预弯处理的重要作用。将叶片的变形情况放入到三维轴线图中发现叶片在竖直方向上发生的变形情况比较小，对于几十米长的风力机叶片，这样的变形程度可以忽略不计。所以叶片的变形主要发生在两个水平方向上，将叶片的水平面放入到平面直角坐标系中发现x方向上的变形占总变形的1/4左右，其余的3/4都发生在y方向的变形上，从而证实了叶片发生变形出现叶片破坏的主要原因是，由于叶片挥舞作用产生的。

图1y方向的变形云图图2x方向的变形云图

3.风力机叶片流场的分析

取风力机中的其中一个叶片对流场进行分析，流场是由外流场和旋转域这两个区域组成，这两个部分之间的数据传递是通过交界面完成的。在叶片模型模拟的过程中以叶长为不变的基准，叶长的1/2是外流场上风向尺寸，叶长的1/5是外流场下风向尺寸，叶长的2/5是扇形外流场域的直径。

4.风力机叶片结构计算模型

在模型建立时首先要铺设单向玻璃纤维布，它在风力机叶片的运转过程中具有经编复合材料减振效果好、膨胀系数小、骨架轻、变形小等优点。在铺设时，首先要铺设一层基础单向玻璃纤维布，然后再进行子层纤维布的铺设，标准规定中指出“进行完所有铺设材料后，才可以选择适当的铺层方式，在已经建立起了叶片模型上进行铺设”，铺设结束后还要检查叶片内部的平面强度大以及叶片外围的厚度是否达标。

在叶片的不同位置进行单向玻璃纤维布铺设时，需要在不同的位置设定不同的厚薄，由于叶片根部是发生疲劳破坏的主要位点，所以在铺设过程中沿叶展方向的厚度要逐渐降低。完成这项铺设工作后，可以看到从叶片的叶根到叶尖处厚度逐渐降低。在标准规定中，叶根厚度为66毫米，夜间厚度为16毫米，整个叶片的重量为6100千克。

总结

综上所述，应力在叶片的根部处出现了集中现象，这种情况大大增加了出现疲劳破坏的概率，发生叶片破坏的主要原因是由于叶片挥动作用让主要振动变形形式发生变化产生，所以在未来风力机叶片疲劳破坏的治理中，也可以定向的做出一些措施进行应对。

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