風(fēng)力機(jī)葉片尾緣幾何與結(jié)構(gòu)構(gòu)型對(duì)尾緣膠接剪切疲勞性能的影響研究

牛牧華,陳 程，李 倩

（1.無(wú)錫太湖學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214064；2.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016；3.無(wú)錫風(fēng)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 無(wú)錫 214172）

0 引言

隨著風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組正在向著大型化方向發(fā)展[1]，成本和結(jié)構(gòu)可靠性等問(wèn)題受到越來(lái)越多的重視。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的逐年提高，葉片樣本數(shù)量有了極大的豐富，通過(guò)對(duì)葉片的運(yùn)維檢查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的損傷都發(fā)生在葉片的前緣和尾緣粘接處[2]。目前風(fēng)力機(jī)葉片的生產(chǎn)工藝主要是采用上下模具加工，再將各部件粘接形成一只完整的葉片（圖1）。

圖1 葉片截面示意圖Fig.1 Schematic diagram of a blade section

對(duì)于葉片中常見(jiàn)的T型粘接和搭接的研究，學(xué)術(shù)界已取得不少成果[3]。通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)葉片的運(yùn)維檢查發(fā)現(xiàn)，葉片尾緣開(kāi)裂是葉片比較常見(jiàn)的一種損傷[4]。造成尾緣開(kāi)裂的原因是復(fù)雜的，關(guān)于這方面的研究還較少。文獻(xiàn)[5]，[6]提出了一種將有限元?dú)卧腕w單元相結(jié)合的模擬方法，對(duì)尾緣的粘接進(jìn)行了理論研究。Samborsky D D[7]研究了結(jié)構(gòu)膠的裂紋在靜態(tài)載荷和疲勞載荷作用下的擴(kuò)展。Hua Y[8]在膠層的層間應(yīng)力作用下，研究了膠接材料的性能和幾何特性對(duì)力學(xué)性能的影響。Ji Y M[9]利用斷裂力學(xué)方法研究了風(fēng)力機(jī)葉片膠接的失效機(jī)理。但目前試驗(yàn)研究方法還無(wú)法精確實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)疲勞載荷。在傳統(tǒng)的疲勞分析方法中，通常利用損傷等效的原理將變幅的動(dòng)態(tài)疲勞載荷轉(zhuǎn)換為等幅載荷。但在載荷簡(jiǎn)化處理過(guò)程中會(huì)損失一部分載荷信息，從而降低載荷的精度。

基于以上研究現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題，本文將有限元方法和應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣方法（FEM-STM）[10]相結(jié)合，無(wú)須對(duì)載荷進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，分析過(guò)程中直接采用動(dòng)態(tài)的載荷時(shí)間歷程。針對(duì)3種典型的幾何外形，兩種粘接線處理方式，利用有限元方法和應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣方法來(lái)分析尾緣的膠接剪切疲勞損傷，通過(guò)算例對(duì)比研究結(jié)構(gòu)構(gòu)型對(duì)尾緣膠接疲勞的影響。

1 分析方法

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)型與建模策略

葉片生產(chǎn)工藝普遍采用上下兩片模具單獨(dú)加工兩片殼體，然后和腹板粘接在一起，形成一個(gè)完整的葉片。由于受幾何外形和結(jié)構(gòu)定位的約束，葉片尾緣的殼體內(nèi)部間距是連續(xù)變化的。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)不同的粘接厚度，有3種不同的粘接形式（圖2），各種粘接形式的最終目的均是將膠接的粘接厚度控制在一定的范圍內(nèi)。

圖2 3種尾緣粘接型式Fig.2 Three types of bonding

當(dāng)尾緣粘接間距較大時(shí)，采用A型粘接方式，A型粘接方式有預(yù)制的粘接法蘭來(lái)輔助粘接。當(dāng)粘接的間距較小時(shí)，采用C型粘接方式，為了控制好粘接間距，須要調(diào)節(jié)玻纖布的定位和錯(cuò)層。當(dāng)粘接間距介于A型和C型之間時(shí)，則采用B型粘接方式，通過(guò)預(yù)制填充物來(lái)控制殼體的粘接厚度。

本文利用ANSYS軟件建立有限元模型，葉片段采用NACA 63系列翼型。為了考查不同的厚度位置處的疲勞損傷差別，實(shí)體單元模擬的結(jié)構(gòu)膠在厚度方向上劃分為5層。

圖3為結(jié)構(gòu)膠粘接線邊緣的3種倒角和外包邊的鋪設(shè)方式。

圖3 尾緣粘接線3種倒角形式Fig.3 Bonding of the trailing edge of the blade

為考察倒角對(duì)膠接邊緣疲勞損傷的影響而設(shè)置不同的倒角方式。外包邊對(duì)膠接剪切疲勞的影響主要在有外包邊和無(wú)外包邊兩種情況進(jìn)行考察。所有這些構(gòu)型具有相同的粘接寬度。

1.2 疲勞性能測(cè)試與應(yīng)用

為了獲得結(jié)構(gòu)膠的剪切疲勞性能S-N曲線，采用由米德（中國(guó)）有限公司生產(chǎn)的雙組分膠1807AB/1807AHA，按照ISO 9664：1993[11]在MTS-809萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的試樣測(cè)試。在疲勞性能測(cè)試中，測(cè)試的最大應(yīng)力分為7個(gè)等級(jí)，包含6，6.3，6.6，6.9，7，8MPa和10MPa，應(yīng)力比為0.1，測(cè)試頻率為30Hz，測(cè)試的環(huán)境溫度為23±2℃，濕度為50%±5%RH。測(cè)試的結(jié)果顯示在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中（圖4）。

圖4 疲勞性能測(cè)試結(jié)果Fig.4 S-N curve of the shear property of the adhesive

測(cè)試只包含應(yīng)力比R=0.1的結(jié)果，其他應(yīng)力比的疲勞性能可以通過(guò)對(duì)等壽命曲線進(jìn)行插值得到。插值方法可以參考DNV-OS-C501[12]。

1.3 有限元與應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣方法

應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣方法是基于線彈性假設(shè)，可以將無(wú)規(guī)律的時(shí)序動(dòng)態(tài)載荷轉(zhuǎn)換為時(shí)序的應(yīng)力。利用有限元方法建立葉片段的有限元模型?？紤]到圣維南原理，在處理葉片段的邊界條件時(shí)，一端固定約束，另一端與多點(diǎn)約束（MPC）的從節(jié)點(diǎn)相連接，而MPC的主節(jié)點(diǎn)位于葉片段中間的剪切中心上，如圖5所示。

圖5 葉片段有限元模型Fig.5 Schematic of the blade segment

通過(guò)在主節(jié)點(diǎn)上分別施加6個(gè)單位載荷（Mx，My，Mz，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z），得到的應(yīng)力分量可以組裝得到葉片上各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置處的應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣。應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣的物理意義是外載與結(jié)構(gòu)應(yīng)力的轉(zhuǎn)換關(guān)系。利用該轉(zhuǎn)換關(guān)系可以將復(fù)雜無(wú)規(guī)律的外載轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，并且該運(yùn)算具有很高的計(jì)算效率。

1.4 載荷工況

基于葉素動(dòng)量理論對(duì)葉片載荷進(jìn)行仿真，仿真利用GH bladed軟件進(jìn)行。載荷計(jì)算中考慮的工況包括正常發(fā)電工況、正常啟停工況、故障工況和剎車(chē)工況。一年總的工況小時(shí)數(shù)是8 760 h。

圖6為計(jì)算得到的一個(gè)正常發(fā)電工況的力矩和剪力圖。該發(fā)電工況的風(fēng)速為6m/s，且風(fēng)輪無(wú)偏航角。

圖6 力矩和剪力的動(dòng)態(tài)時(shí)間歷程曲線Fig.6 Moments and Forces of the blade section

本文采用某型號(hào)1.5MW的45.3m長(zhǎng)葉片模型進(jìn)行膠接疲勞分析，通過(guò)載荷仿真得到各截面的動(dòng)態(tài)疲勞載荷時(shí)間歷程曲線，再利用葉片的結(jié)構(gòu)模型計(jì)算得到尾緣膠接的應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣。該應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣可將時(shí)間歷程曲線轉(zhuǎn)換為應(yīng)力時(shí)間歷程曲線。結(jié)合疲勞測(cè)試，通過(guò)膠接材料的疲勞S-N曲線插值得到了許用循環(huán)次數(shù)，最后得到膠接的疲勞損傷計(jì)算結(jié)果。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 外形為40%相對(duì)厚度的損傷結(jié)果

外形為40%相對(duì)厚度的尾緣空間大，故采用輔助粘接法蘭進(jìn)行粘接。局部模型和膠層的序號(hào)如圖7所示。

圖7 膠層定義示意圖Fig.7 Layer number of the adhesivemesh

3種倒角類型的粘接線起點(diǎn)的損傷對(duì)比如圖8所示。由圖8可知：對(duì)于貼近殼體的第1層，當(dāng)?shù)菇桥c殼體夾角為銳角時(shí)損傷最大，當(dāng)?shù)菇桥c殼體夾角為鈍角時(shí)損傷最??；對(duì)于遠(yuǎn)離殼體的第5層則恰好有相反的結(jié)果，當(dāng)?shù)菇桥c殼體夾角為銳角時(shí)損傷最小，當(dāng)?shù)菇桥c殼體夾角為鈍角時(shí)損傷最大。

圖8 40%相對(duì)厚度的粘接線起點(diǎn)位置的損傷Fig.8 The damage at beginning of bonding line of 40%RT

葉片合模后，粘接線終點(diǎn)的膠會(huì)暴露在外，模型對(duì)比如圖9所示。

圖9 包邊在有限元模型中的設(shè)置示意圖Fig.9 Schematic diagram of over lamination in finite elementmodel

圖10為網(wǎng)格中間層的結(jié)果與基準(zhǔn)模型的對(duì)比曲線。由圖10可知，沒(méi)有外包邊的損傷會(huì)明顯高于有外包邊的損傷，影響范圍接近粘接線總寬度的15%。

圖10 40%RT的損傷結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of the results of 40%RT

2.2 外形為30%相對(duì)厚度的損傷結(jié)果

3種倒角類型的粘接線起點(diǎn)的損傷對(duì)比如圖11所示。

圖11 30%相對(duì)厚度的粘接線起點(diǎn)位置的損傷Fig.11 The damage atbeginning of bonding line of 30%RT

由圖11可知：對(duì)于第1層，當(dāng)?shù)菇桥c殼體夾角為銳角時(shí)損傷最大，當(dāng)?shù)菇桥c殼體夾角為鈍角時(shí)損傷最?。粚?duì)于第5層，當(dāng)?shù)菇桥c殼體夾角為銳角時(shí)損傷最小，當(dāng)?shù)菇桥c殼體夾角為鈍角時(shí)損傷最大。

圖12為網(wǎng)格中間層的結(jié)果與基準(zhǔn)模型的對(duì)比。由圖可以看出，沒(méi)有外包邊的損傷明顯高于有外包邊的損傷，影響范圍占粘接線總寬度的20%。

圖12 30%RT的損傷結(jié)果對(duì)比Fig.12 Comparison of the results of 30%RT

2.3 外形為25%相對(duì)厚度的損傷結(jié)果

該形狀的翼型一般處于捕獲風(fēng)能效率較高的葉中和葉尖位置。為了控制尾緣的厚度，保證翼型性能，一般不在相關(guān)截面位置處鋪放尾緣包邊，因此該形狀下膠的損傷只考慮倒角的影響。

粘接空間完全由結(jié)構(gòu)鋪層定位來(lái)控制，因此不需要輔助粘接部件。這里考查與P面殼體夾角為鈍角、銳角和倒圓角3種倒角型式對(duì)膠接損傷的影響。倒角的有限元模型如圖13所示。

圖13 25%相對(duì)厚度的尾緣膠倒角型式Fig.13 Cham fering form of trailing edge adhesive with 25%RT

圖14為不同倒角型式的損傷對(duì)比曲線。

圖14 不同倒角型式的損傷對(duì)比Fig.14 Comparison of different types of chamfering

由圖14可知：對(duì)于貼近殼體的第1層，當(dāng)?shù)菇桥c殼體夾角為銳角時(shí)損傷最大，當(dāng)?shù)菇桥c殼體夾角為鈍角時(shí)損傷最小；對(duì)于遠(yuǎn)離殼體的第5層，當(dāng)?shù)菇桥c殼體夾角為銳角時(shí)損傷最小，當(dāng)?shù)菇桥c殼體夾角為鈍角時(shí)損傷最大。該結(jié)果與倒圓角可降低應(yīng)力集中的常識(shí)一致。通過(guò)對(duì)不同倒角類型損傷結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，粘接線起點(diǎn)處的倒角能有效降低膠接的損傷。一般來(lái)說(shuō)，在生產(chǎn)的合模時(shí)擠出的膠會(huì)在粘接線處形成銳角，如果不做特殊處理，則會(huì)形成較高的疲勞損傷區(qū)域。在生產(chǎn)和維修中可以利用具有特殊形狀的刮板對(duì)粘接線的起點(diǎn)進(jìn)行刮膠處理，一方面可以移除多余的結(jié)構(gòu)膠，另一方面可以形成鈍角的收口以降低疲勞損傷。

3 結(jié)論

為了研究尾緣膠接構(gòu)型對(duì)結(jié)構(gòu)膠剪切疲勞性能的影響，本文利用有限單元法創(chuàng)建葉片的仿真模型，得到了材料各節(jié)點(diǎn)位置處的應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣。通過(guò)材料測(cè)試獲得膠的剪切疲勞性能，再利用GH BLADED軟件得到葉片的動(dòng)態(tài)時(shí)間歷程載荷，最后利用應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣得到時(shí)間歷程應(yīng)力，并通過(guò)等壽命曲線插值得到疲勞損傷。

通過(guò)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，尾緣膠接的結(jié)構(gòu)構(gòu)型對(duì)尾緣膠的損傷有明顯的影響。在粘接線起點(diǎn)處將倒角處理成鈍角可以降低局部范圍的疲勞損傷，即對(duì)于重要的粘接面，宜將粘接線起點(diǎn)與粘接面處理為鈍角。若粘接的兩面均為重要粘接面則粘接線起點(diǎn)設(shè)置為圓角是合理的。

尾緣的外包邊對(duì)尾緣膠接的疲勞性能有一定的影響。尾緣外包邊的處理方式能提高膠接的疲勞性能，影響達(dá)到粘接寬度的15%～20%。