基于故障物理的風(fēng)力機(jī)葉片可靠性仿真分析方法

摘 要：提出一種基于故障物理的風(fēng)力機(jī)葉片可靠性仿真分析方法，通過(guò)繪制任務(wù)剖面和載荷剖面圖，將葉片材料、結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件和使用方式等參數(shù)加載到數(shù)值計(jì)算模型中，進(jìn)行瞬態(tài)熱力學(xué)、振動(dòng)應(yīng)力和多應(yīng)力耦合分析。結(jié)果表明，最大應(yīng)力和熱集中主要發(fā)生在葉片根部，變形主要發(fā)生在葉片中部到葉尖這段區(qū)間。從故障原因和機(jī)理出發(fā)研究葉片的故障規(guī)律，運(yùn)用FMECA（故障模式、影響和危害性分析）處理收集到的故障信息。將定性評(píng)價(jià)指標(biāo)予以定量化，以此建立葉片危害性矩陣和FMECA表格，在失效模式下對(duì)高危性故障數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性評(píng)估，為工程實(shí)際提供必要的理論支持。該方法相較于傳統(tǒng)基于手冊(cè)的可靠性分析方法精度更高，與研制、生產(chǎn)、維修和管理并行，通過(guò)不斷更新迭代，以保證產(chǎn)品可靠性要求的實(shí)現(xiàn)，為風(fēng)力機(jī)葉片的可靠性分析提供了新的思路和實(shí)施方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)葉片；可靠性分析；故障模式；流固耦合；故障物理

中圖分類(lèi)號(hào)：TK83" " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著全球能源危機(jī)的持續(xù)和“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)，可再生能源成為全球新能源發(fā)展的新寵，而風(fēng)力發(fā)電作為最具發(fā)展?jié)撃艿那鍧嵃l(fā)電方式之一，近年來(lái)得到快速發(fā)展。全球風(fēng)能理事會(huì)（Global Wind Energy Council，GWEC）發(fā)布的《全球風(fēng)能報(bào)告2022》中指出，2021年全球新增風(fēng)電裝機(jī)93.6 GW，累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)已達(dá)到837 GW，其中海上風(fēng)電新增裝機(jī)中國(guó)占比80%，累計(jì)裝機(jī)達(dá)到27.7 GW［1］。風(fēng)力機(jī)葉片作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件，其失效與否完全關(guān)系著風(fēng)電機(jī)組能否正常運(yùn)行，因此要求風(fēng)力機(jī)葉片具有高性能、高可靠性等特點(diǎn)。風(fēng)力機(jī)葉片工作環(huán)境惡劣，多種載荷形式并存，各部位都具有不同的失效機(jī)理和故障模式，應(yīng)用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)其進(jìn)行研究十分困難［2-3］。

可靠性工程作為一門(mén)新興學(xué)科，是一種減少或預(yù)防故障的方法。針對(duì)葉片可靠性技術(shù)的研究，靳交通等［4］對(duì)帶有缺陷的風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，證明褶皺對(duì)葉片疲勞性能的影響更大；王宇晨等［5］針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰影響機(jī)組運(yùn)行可靠性問(wèn)題， 提出風(fēng)電機(jī)組灰色故障樹(shù)模型，得出葉片覆冰與變槳逆變器ok信號(hào)丟失、機(jī)艙加速度超限等故障的關(guān)聯(lián)度較大；寇海霞等［6］基于某型號(hào)風(fēng)力機(jī)葉片全尺寸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立風(fēng)力機(jī)葉片的逆高斯過(guò)程退化模型，利用該退化模型對(duì)葉片的疲勞可靠性進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)葉片在無(wú)失效壽命數(shù)據(jù)情況下的疲勞可靠性分析；雷世英等［7］針對(duì)蠕變失效建立累積損傷指數(shù)模型，融合歷史協(xié)變量信息，提出一種高壓渦輪葉片服役可靠性評(píng)估方法，可實(shí)現(xiàn)在特定使用條件下的渦輪葉片服役可靠性評(píng)估及剩余壽命預(yù)測(cè)；賈貝熙等［8］完善隨機(jī)不確定性下渦輪葉片多模式壽命可靠性分析的工程化方法，搭建多模式壽命可靠性分析的參數(shù)化、多軟件聯(lián)合仿真平臺(tái)，為某型號(hào)葉片壽命可靠性分析提供合理的工程化方法及高效便捷的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)工具；Duer等［9］基于風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中可靠性仿真問(wèn)題的研究，通過(guò)改進(jìn)、改造和插入最優(yōu)解來(lái)改變風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備的質(zhì)量和使用條件，可在真實(shí)條件下對(duì)其可靠性的影響進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的評(píng)估；蘇惠敏等［10］針對(duì)葉片在長(zhǎng)期受外界環(huán)境影響時(shí)會(huì)發(fā)生材料老化問(wèn)題，提出一種評(píng)估風(fēng)力機(jī)葉片材料老化后的可靠性分析方法，采用直接積分法，快速評(píng)估材料退化的葉片可靠性?？煽啃怨こ套鳛橐豁?xiàng)綜合性的系統(tǒng)工程，涉及到的工作內(nèi)容復(fù)雜，貫穿于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、貯存、使用、維修和管理等各個(gè)方面。可靠性仿真技術(shù)已經(jīng)在軍用裝備和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而針對(duì)葉片的可靠性仿真技術(shù)尚未有一套標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范。因此，加強(qiáng)可靠性管理、完善可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)保障在役風(fēng)力機(jī)葉片高效、可靠地工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基于故障物理（physics of failure，PoF）的可靠性分析技術(shù)，來(lái)源于國(guó)外提出的故障物理學(xué)，是以科學(xué)為基礎(chǔ)的可靠性工程方法，被稱(chēng)為“21世紀(jì)的可靠性技術(shù)”［11］。PoF是指從物理化學(xué)性能角度分析產(chǎn)品的不可靠因素，進(jìn)行一系列缺陷評(píng)估、仿真試驗(yàn)和模型建立，分析產(chǎn)品在復(fù)雜應(yīng)力作用下產(chǎn)生的失效機(jī)理，然后通過(guò)故障模擬來(lái)降低故障發(fā)生概率的方法，又稱(chēng)失效物理、可靠性物理［12］。根據(jù)該方法得到的預(yù)計(jì)結(jié)果可表明產(chǎn)品失效機(jī)理、退化規(guī)律和故障原因，從而找到其薄弱環(huán)節(jié)，以保證產(chǎn)品可靠性要求的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)故障物理現(xiàn)象進(jìn)行研究，劉宏偉等［13］以全尺寸風(fēng)力機(jī)葉片為研究對(duì)象，提出了一種考慮剛度演化的改進(jìn)復(fù)合材料疲勞損傷模型，模擬損傷發(fā)展的3個(gè)階段，結(jié)果表明兩級(jí)加載的剛度退化模型和壽命預(yù)測(cè)模型與考慮不同類(lèi)型復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的一致性和較高的擬合精度；Kostandyan等［14］以電力電子中使用的SnAg焊料元件為例，對(duì)SnAg焊料中的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行建模，基于失效物理方法提出評(píng)估累積塑性應(yīng)變模型，采用結(jié)構(gòu)可靠性方法，分析給定溫度負(fù)載曲線(xiàn)的累積線(xiàn)性損傷和可靠性水平；Kacprzynski等［15］以H-60直升機(jī)齒輪作為案例研究，基融合振動(dòng)調(diào)整局部材料/損壞部位的關(guān)鍵失效模式變量特征，通過(guò)隨機(jī)分區(qū)裂紋萌生和三維斷裂力學(xué)起重模型以及自適應(yīng)模型更新技術(shù)來(lái)提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。風(fēng)力機(jī)葉片的可靠性評(píng)估通常是基于測(cè)試數(shù)據(jù)的經(jīng)典可靠性技術(shù)進(jìn)行的，而傳統(tǒng)的可靠性方法是耗費(fèi)時(shí)間和資源的活動(dòng)。

根據(jù)研究資料表明，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程發(fā)生的故障中，機(jī)械故障明顯多于電子產(chǎn)品故障，具有可靠性問(wèn)題復(fù)雜、故障模式多、故障數(shù)據(jù)分散和影響因素復(fù)雜等特點(diǎn)［16-18］。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于PoF的風(fēng)力機(jī)葉片可靠性仿真方法，通過(guò)從系統(tǒng)關(guān)鍵部件的故障機(jī)理和故障物理研究出發(fā)，分析材料特性、載荷特點(diǎn)、加載方式、工作環(huán)境等因素，利用試驗(yàn)和模擬仿真進(jìn)行可靠性評(píng)估，為風(fēng)力機(jī)葉片的可靠性分析提供新的思路。

1 基于故障物理的風(fēng)力機(jī)葉片可靠性技術(shù)流程

故障物理理論認(rèn)為“除了軟件故障外，產(chǎn)品中所有的故障都是由基本的熱、電、物理、化學(xué)或機(jī)械等應(yīng)力作用所導(dǎo)致的”［19］。采用基于PoF的可靠性分析方法，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的分析和仿真，實(shí)現(xiàn)在不同使用條件下的壽命和可靠性預(yù)測(cè)，并發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的最薄弱環(huán)節(jié)、消除潛在故障，提高產(chǎn)品的固有可靠性。。基于PoF的可靠性技術(shù)流程如圖1所示，主要包括風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)信息采集、基于PoF的可靠性建模、應(yīng)力分析、故障模式、影響和危害性分析（failure mode，effects and criticality analysis，F(xiàn)MECA）［20］和基于PoF的可靠性評(píng)估5個(gè)部分。

具體步驟：首先掌握葉片的設(shè)計(jì)信息和材料特性，明確風(fēng)力機(jī)葉片在役期間所承受的載荷和工作條件等，通過(guò)FMECA分析得到葉片故障模式、影響和危害性信息，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠性仿真試驗(yàn)，提取熱、振動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)力損傷等信息，結(jié)合應(yīng)力損傷模型得到葉片的故障信息矩陣，包括主要故障類(lèi)型、發(fā)生位置以及發(fā)生時(shí)間節(jié)點(diǎn)等信息，從而找出葉片的設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，最后進(jìn)行可靠性評(píng)估并提出設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，提高產(chǎn)品的可靠性水平。

2 FMECA分析

可靠性設(shè)計(jì)與分析不僅是確定與評(píng)價(jià)系統(tǒng)及其組成單元的可靠性水平，更重要的是提高其可靠性。故障模式影響分析（failure mode and effects analysis，F(xiàn)MEA）是最常用的分析方法和有效工具，是一種系統(tǒng)化的故障預(yù)想技術(shù)［21］。FMEA存在于產(chǎn)品的方案、研制、生產(chǎn)、設(shè)備使用和維護(hù)階段，對(duì)產(chǎn)品存在或可能存在的故障進(jìn)行分析，從而采取必要的預(yù)防措施，為結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供依據(jù)，以提高產(chǎn)品的可靠性水平。

FMECA相較與傳統(tǒng)FMEA增加了對(duì)故障模式的危害性分析（criticality analysis，CA），對(duì)潛在的故障模式所造成的影響和后果的嚴(yán)重程度進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，最終得到主故障機(jī)理及其對(duì)應(yīng)的工作應(yīng)力、環(huán)境和工作參數(shù)，并提出預(yù)防改進(jìn)措施。其具體實(shí)施步驟，如圖2所示。

2.1 故障模式影響分析

FMEA作為一種重要的可靠性定性分析方法，通過(guò)分析產(chǎn)品各個(gè)環(huán)節(jié)中可能存在的故障模式，確定產(chǎn)生原因及其影響因果［21］，有效地對(duì)潛在失效模式的風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，主要分析內(nèi)容包括：

2.1.1 故障模式分析

對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的故障模式類(lèi)型已有規(guī)范化的描述，故障模式類(lèi)型包括：損壞型、退化型、松脫型、失調(diào)型、阻漏型、功能型［22］。在設(shè)計(jì)初期需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估，確定和分析產(chǎn)品可能出現(xiàn)的故障和影響，這是一種事前分析。當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)首先判斷是否可進(jìn)行同類(lèi)別分析，如出現(xiàn)新的故障模式時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)慎規(guī)范地定義其故障模式。

目前對(duì)于故障模式和影響因素分析有兩種方式，一種是利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)分析得到的故障模式，另外一種是利用其他類(lèi)似產(chǎn)品的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)得到的假定故障模式。

2.1.2 故障原因分析

故障原因分析的目的是識(shí)別各故障機(jī)理發(fā)生的因素。根據(jù)產(chǎn)品壽命周期剖面確定其發(fā)生階段，找到引發(fā)故障模式的環(huán)境條件和應(yīng)力狀態(tài)，故障原因的分析有助于確定導(dǎo)致故障模式的重要故障機(jī)理。

故障原因分析是從產(chǎn)品故障推測(cè)其發(fā)生的過(guò)程，主要從設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、設(shè)備自身、維護(hù)保養(yǎng)、工作環(huán)境等方面進(jìn)行故障原因分析，進(jìn)一步推測(cè)故障發(fā)生過(guò)程的變量因素，并進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。

2.1.3 潛在故障機(jī)理分析

故障機(jī)理即從故障的物理變化或失效角度來(lái)研究故障過(guò)程，是故障物理的核心內(nèi)容。故障機(jī)理的確定一般借助實(shí)驗(yàn)檢測(cè)手段進(jìn)行，如應(yīng)變測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量、激光超聲技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、視覺(jué)技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、光纖技術(shù)和攝影技術(shù)等。

產(chǎn)品經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)、使用到發(fā)生故障或失效，是由能量作用導(dǎo)致材料變化的結(jié)果。產(chǎn)品在壽命剖面和任務(wù)剖面所受的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力以能力形式存在，主要有機(jī)械能、熱能、化學(xué)能等。分析過(guò)程需要考慮能量的速度、大小、變化規(guī)律和作用點(diǎn)，能量的大小將決定產(chǎn)品破壞的程度、能量的速度和變化規(guī)律將決定破壞的形式、能量的作用點(diǎn)將決定材料破壞的起始點(diǎn)［23］。

2.2 危害性分析

危害性分析有定性分析和定量分析兩種方法，其作為FMEA的補(bǔ)充和擴(kuò)展，只有進(jìn)行FMEA，才能進(jìn)行危害性分析。危害性分析是對(duì)每個(gè)故障模式的危害度或嚴(yán)重程度進(jìn)行等級(jí)劃分，以便對(duì)系統(tǒng)的潛在故障模式進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，并采取必要改進(jìn)措施。

3 可靠性仿真試驗(yàn)分析

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）標(biāo)準(zhǔn)，一臺(tái)風(fēng)力機(jī)需要在復(fù)雜環(huán)境下維持20年的有效壽命，進(jìn)行可靠性仿真試驗(yàn)是最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)工作?？煽啃苑抡婕瓤梢韵葘?duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行可靠性仿真，進(jìn)而依據(jù)分析結(jié)果對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性仿真，也可以直接對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，具有廣泛的應(yīng)用范圍。進(jìn)行可靠性仿真試驗(yàn)分析需要用到復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，一般借助商業(yè)軟件集成平臺(tái)實(shí)現(xiàn)仿真分析，主要包括結(jié)構(gòu)建模、應(yīng)力分析、應(yīng)力損傷分析3個(gè)部分。

3.1 結(jié)構(gòu)建模

根據(jù)對(duì)物理過(guò)程或設(shè)備的特性分析以及有關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立描述過(guò)程性能的數(shù)學(xué)模型稱(chēng)為結(jié)構(gòu)建模，主要包括：

3.1.1 CAD仿真模型建模

CAD仿真模型建模是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)輔助設(shè)計(jì)或驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，展現(xiàn)新開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的構(gòu)造、性能和集成環(huán)境等特色的過(guò)程，是建立熱分析和振動(dòng)分析仿真模型建模的基礎(chǔ)。

3.1.2 CFD仿真模型建模

計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics， CFD）是采用數(shù)值方法利用計(jì)算機(jī)來(lái)求解流體流動(dòng)的控制偏微分方程組，并通過(guò)得到的流場(chǎng)和其他物理場(chǎng)來(lái)研究流體流動(dòng)現(xiàn)象以及相關(guān)的物理或化學(xué)過(guò)程［24］。

3.1.3 FEM仿真模型建模

有限元單元法（finite element method， FEM），又稱(chēng)有限元法或有限元素法，是一種為偏微分方程的邊界值問(wèn)題尋找近似解的數(shù)值計(jì)算方法。有限元分析的基本步驟主要包括前處理、總裝求解和后處理3個(gè)部分，其利用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)，從而得出近似解［25］。

3.2 應(yīng)力分析

產(chǎn)品在使用過(guò)程中常常會(huì)受到環(huán)境、振動(dòng)等多種應(yīng)力耦合作用影響。對(duì)其進(jìn)行可靠性分析，首先建立產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型，然后利用有限元方法進(jìn)行應(yīng)力分析。應(yīng)力分析主要包括熱、振動(dòng)和多應(yīng)力耦合分析等。

熱應(yīng)力分析根據(jù)產(chǎn)品材料、和工作環(huán)境溫度等信息建立熱分析仿真模型。熱分析可有效獲取設(shè)備溫度分布，從而確定零部件之間的耦合位置，結(jié)合各點(diǎn)的溫度梯度、熱流大小和方向進(jìn)行分析，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)不合理之處，指導(dǎo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)。

振動(dòng)應(yīng)力分析主要分析產(chǎn)品在最大振動(dòng)條件下的振動(dòng)響應(yīng)分布情況，找到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的問(wèn)題以及不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的薄弱部位。

多應(yīng)力耦合分析需綜合考慮熱、機(jī)械、氣動(dòng)載荷等多應(yīng)力耦合作用下的仿真模型分析。多場(chǎng)耦合是由多個(gè)物理場(chǎng)相互疊加而形成的問(wèn)題［26］，其在客觀(guān)世界和工程應(yīng)用中廣泛存在。目前常用的有限元分析軟件主要有ANSYS、ABAQUS、CalculiX等［27］。

3.3 損傷分析

潛在故障點(diǎn)的應(yīng)力損傷分析主要是利用應(yīng)力損傷模型，結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行損傷分析，并提出改進(jìn)方案。根據(jù)材料在不同應(yīng)力條件下的損傷行為不同，分為單應(yīng)力損傷分析和多應(yīng)力損傷分析。

在單應(yīng)力損傷分析中，主要是針對(duì)單一應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分布、損傷模型和壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行分析。而當(dāng)進(jìn)行多應(yīng)力損傷分析時(shí)，需用到損傷累積方法來(lái)處理。損傷累積方法是指將失效過(guò)程看作是損傷程度趨于臨界損傷值的累積過(guò)程，累積損傷分析最有代表性的是Miner線(xiàn)性累積損傷模型［28］：

[D=i=1kniNi] （1）

式中：[D]——累積損傷程度；[ni]——第[i]個(gè)載荷循環(huán)的實(shí)際載荷次數(shù)；[Ni]——第[i]個(gè)載荷循環(huán)的疲勞壽命。

4 案例分析

本文以某型風(fēng)力機(jī)葉片試件為例進(jìn)行分析，葉片參數(shù)如表1所示，葉片結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.1 任務(wù)剖面與環(huán)境載荷剖面

任務(wù)剖面是對(duì)產(chǎn)品在完成規(guī)定任務(wù)這段時(shí)間內(nèi)所經(jīng)歷的事件、環(huán)境和狀態(tài)的時(shí)序描述［29］。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組而言，應(yīng)考慮其風(fēng)速及系統(tǒng)的任務(wù)剖面進(jìn)行分析，典型風(fēng)電機(jī)組任務(wù)剖面描述如圖4所示。

環(huán)境載荷是指溫度、濕度、壓力、電荷、振動(dòng)、沖擊等各種外在的作用源，影響產(chǎn)品可靠性的環(huán)境參數(shù)以及它們的持續(xù)時(shí)間［30］。因環(huán)境載荷具有隨機(jī)性和動(dòng)力性，根據(jù)試驗(yàn)條件和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制該葉片的環(huán)境載荷剖面，如圖5所示。

4.2 應(yīng)力分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處的工作環(huán)境十分苛刻，常遇到風(fēng)沙、冰雪、凍雨、強(qiáng)陣風(fēng)以及風(fēng)雨浪交互作用等運(yùn)行工況，承受著溫度變化以及交變應(yīng)力的作用。必然會(huì)受到氣動(dòng)力、離心力和彈性力等多種載荷作用，空氣與葉片結(jié)構(gòu)相互耦合作用影響葉片的氣動(dòng)特性，嚴(yán)重時(shí)影響風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行。

根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片翼型數(shù)據(jù)，建立CAD仿真數(shù)學(xué)模型，通過(guò)軟件ANSYS Workbench建立仿真數(shù)字平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)值模擬。分別計(jì)算研究不同葉片材質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)溫度和兩種極端溫度載荷下的熱應(yīng)力分布。并對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行靜模態(tài)分析，研究葉片在無(wú)預(yù)應(yīng)力作用下的固有頻率和模態(tài)振型［30］。最后采用雙向流固耦合的仿真方法，研究葉片在來(lái)流氣動(dòng)載荷和旋轉(zhuǎn)離心力載荷耦合作用下的變形及應(yīng)力應(yīng)變分布。

4.2.1 熱應(yīng)力仿真分析

熱仿真分析的目的是利用熱仿真數(shù)字樣機(jī)計(jì)算產(chǎn)品在給定條件下的溫度分布，為故障時(shí)間輸入和產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供依據(jù)。當(dāng)產(chǎn)品受到因溫度急劇變化而引起的熱沖擊時(shí)，在形成拉應(yīng)力的區(qū)域可能會(huì)使裂紋擴(kuò)展，甚至材料破壞［31］。

復(fù)合材料是由2個(gè)或2個(gè)以上的獨(dú)立物理相所組成的固體產(chǎn)物，列舉幾種常用復(fù)合材料基本參數(shù)，如表2所示［32］。其中，非金屬?gòu)?fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)因材料性質(zhì)、鋪層方式、纖維體積含量的不同而異，導(dǎo)致非金屬?gòu)?fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)具有特殊性和復(fù)雜性的特點(diǎn)。本文采用文獻(xiàn)［33］中聚合物基復(fù)合材料的熱學(xué)性能參數(shù)。風(fēng)力機(jī)葉片溫度漂移過(guò)程的瞬態(tài)熱應(yīng)力有限元分析模塊流程如圖6所示。

如圖7所示，以結(jié)構(gòu)鋼和玻璃纖維復(fù)合材料為例，對(duì)比分析不同葉片材質(zhì)在高低溫（[-60、45 ℃]）和正常溫度（22 ℃）下的熱應(yīng)力分布。

考慮風(fēng)力機(jī)葉片環(huán)境載荷影響，利用有限元分析方法模擬葉片穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)中不同材質(zhì)葉片的熱應(yīng)力分布。結(jié)果表明，玻璃纖維復(fù)合材料相對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)力變化小，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在葉片根部，整個(gè)葉片內(nèi)的應(yīng)力梯度變化較大。

4.2.2 振動(dòng)仿真分析

將葉片模型根部4個(gè)螺紋孔施加固定約束，對(duì)葉片進(jìn)行靜模態(tài)分析，得到葉片模型前6階模態(tài)振型和固有頻率，模態(tài)振型如圖8所示，固有頻率如表3所示。

振動(dòng)是葉片最常見(jiàn)的物理運(yùn)動(dòng)，葉片的振動(dòng)形式主要有：揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)3種。由圖8可知，葉片在各個(gè)方向上的位移均發(fā)生在葉尖處，葉根基本無(wú)變化。前三階振型主要是揮舞；第四階振型主要是揮舞和擺振；第五和第六階振型有了較為明顯的扭轉(zhuǎn)，在結(jié)果中可以查閱到振型參與系數(shù)來(lái)確定主要模態(tài)振型。由表3可知，葉片的前六階固有頻率隨階次的增加而增大，文獻(xiàn)［34］對(duì)比靜模態(tài)分析和多預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)兩者固有頻率偏差不大。所以在有效提高計(jì)算效率的情況下，靜止?fàn)顟B(tài)下的葉片模態(tài)可作為分析依據(jù)。

4.2.3 多應(yīng)力耦合分析

流固耦合問(wèn)題是流體力學(xué)與固體力學(xué)相互作用的綜合分析，不僅可以有效節(jié)約分析時(shí)間和設(shè)計(jì)成本，還能有效保證計(jì)算結(jié)果更接近于物理現(xiàn)象本身的規(guī)律［35］，雙向流固耦合計(jì)算流程如圖9所示。

在ANSYS Workbench平臺(tái)上，采用Fluent+Mechnical+System Coupling架構(gòu)，對(duì)葉片模型進(jìn)行雙向流固耦合分析。其中流場(chǎng)分析在Fluent Flow（Fluent）模塊中完成，結(jié)構(gòu)分析在Transient Structural模塊中完成，然后將流體分析和結(jié)構(gòu)分析連接到單獨(dú)的System Coupling模塊中進(jìn)行耦合計(jì)算。雙向流固耦合分析模塊如圖10所示。

葉片數(shù)值計(jì)算流體域及旋轉(zhuǎn)域劃分如圖11所示。其中，流場(chǎng)分析求解過(guò)程主要包括：網(wǎng)格劃分、設(shè)置求解器、選取湍流模型、設(shè)置邊界條件和計(jì)算機(jī)迭代。結(jié)構(gòu)分析設(shè)置主要包括：結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分、葉片模型的基本設(shè)置、載荷及約束的設(shè)置和流固耦合面設(shè)置［36］。多應(yīng)力耦合下仿真結(jié)果如圖12所示，文獻(xiàn)［35-38］提供了基于流固耦合的風(fēng)力機(jī)葉片模擬分析過(guò)程。

從圖12仿真結(jié)果可看出，葉片的變形主要發(fā)生在葉片中部到葉尖這段區(qū)間，變形量逐漸增大，最大變形量位置是葉尖，葉根幾乎不發(fā)生變形。作用于葉片上的氣動(dòng)力和旋轉(zhuǎn)離心力相互耦合，使得旋轉(zhuǎn)的葉片變形和結(jié)構(gòu)振動(dòng)，進(jìn)而改變風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)性能，致使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率出現(xiàn)改變。葉片中部到葉尖的這段區(qū)間應(yīng)力分布較小，最大應(yīng)力位于葉根處，最大等效應(yīng)力為1.5×106 Pa，在實(shí)際工況中葉片斷裂也常常出現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域。

4.3 FMECA分析

故障模式、影響和危害性分析為進(jìn)一步可靠性分析和保障性工作的開(kāi)展提供了定性依據(jù)［39］。在分析過(guò)程中識(shí)別產(chǎn)品設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)及其故障影響信息，直接反映在FMECA分析結(jié)果上。

4.3.1 FMEA分析

根據(jù)葉片故障發(fā)生所產(chǎn)生的后果及能否修復(fù)，主要故障類(lèi)型可分為普通缺陷、嚴(yán)重?fù)p傷和不可修復(fù)故障［40］。其中普通缺陷主要表現(xiàn)為：表面腐蝕、局部沙眼 、輕微裂紋等情況；嚴(yán)重?fù)p傷主要表現(xiàn)為：雷擊損壞、前緣開(kāi)裂、蒙皮剝離、裂紋損傷、保護(hù)層分離、過(guò)熱形變等情況；不可修復(fù)故障主要表現(xiàn)為普通缺陷或嚴(yán)重?fù)p傷未及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，導(dǎo)致無(wú)法修復(fù)的破壞性損傷，直至發(fā)生葉片結(jié)構(gòu)斷裂事故［41-43］。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組本體構(gòu)件，進(jìn)行FMEA時(shí)不繪制可靠性框圖，風(fēng)力機(jī)葉片為風(fēng)電機(jī)組本體構(gòu)件，因此不繪制可靠性框圖。

對(duì)葉片的主要故障模式、損傷部位、故障原因及性能狀態(tài)幾方面進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表4所示。

4.3.2 CA分析

對(duì)于風(fēng)力機(jī)葉片的CA分析就是權(quán)衡故障模式的發(fā)生概率和嚴(yán)重程度，并對(duì)故障事件進(jìn)行分類(lèi)的分析過(guò)程［44］。CA分析有兩種分析方法，當(dāng)故障數(shù)據(jù)不完整或不充分時(shí)，通常采用CA定性分析，相反則采用CA定量分析，兩種分析方法都能較好地找到系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的可靠性。

由于風(fēng)力機(jī)葉片條件變量的匱乏，本文將具有模糊性的危害性風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法引入CA定性分析中。根據(jù)GJB/Z 1391—2006《故障模式、影響及危害性分析指南》［45］，通常將事件的嚴(yán)酷程度劃分為4個(gè)等級(jí)，即災(zāi)難等級(jí)、致命等級(jí)、中度等級(jí)和輕度等級(jí)，其具體嚴(yán)酷度定義如表5所示。對(duì)故障發(fā)生概率等級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)，其具體等級(jí)劃分如表6所示。

繪制危害性矩陣圖是對(duì)故障模式的嚴(yán)重程度和發(fā)生概率之間的進(jìn)一步分析，危害性矩陣的橫坐標(biāo)通常表示嚴(yán)酷度類(lèi)別，縱坐標(biāo)通常表示產(chǎn)品危害度Cr或故障描述發(fā)生概率等級(jí)［46］。

根據(jù)表7的定性分析結(jié)果，將各故障模式的危害性以矩陣形式表達(dá)，如圖13所示。自點(diǎn)[a]至點(diǎn)[d]對(duì)應(yīng)的故障危害逐步升高，其中點(diǎn)[d]事件影響最大，即葉片斷裂。

風(fēng)力機(jī)葉片在結(jié)構(gòu)和載荷效應(yīng)方面具有的復(fù)雜性，導(dǎo)致應(yīng)用簡(jiǎn)單的可靠性框圖、故障樹(shù)分析時(shí)較繁瑣。故障模式影響及危害性分析能夠深入、系統(tǒng)地分析系統(tǒng)故障，全面理解系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理，通過(guò)分析得出可靠性關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)，以便采取預(yù)防措施并進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控和跟蹤，同時(shí)對(duì)具有相同影響的故障模式進(jìn)行總結(jié)，其FMECA分析結(jié)果如表8所示。

4.4 可靠性評(píng)估

通過(guò)故障預(yù)測(cè)仿真分析得到的故障信息對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行可靠性評(píng)估。首先，對(duì)潛在故障點(diǎn)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)故障數(shù)據(jù)的分布進(jìn)行擬合，經(jīng)K-S擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，以獲得單點(diǎn)故障數(shù)據(jù)分布。其次，采用蒙特卡洛方法對(duì)單點(diǎn)分布進(jìn)行抽樣，每次抽樣1000次，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性［47］。最后，根據(jù)多失效模式相關(guān)關(guān)系和競(jìng)爭(zhēng)失效的原則，在每次采樣中選取壽命最短的故障點(diǎn)作為產(chǎn)品失效時(shí)間，從而得到設(shè)備使用壽命期內(nèi)的失效數(shù)據(jù)，故障數(shù)據(jù)處理流程如圖14所示。

經(jīng)過(guò)分析，選擇適應(yīng)性強(qiáng)的三參數(shù)威布爾分布來(lái)擬合產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)和多點(diǎn)故障分布的融合［48］。采用相關(guān)系數(shù)優(yōu)化法和最小二乘估計(jì)擬合三參數(shù)威布爾分布［49］，其概率密度函數(shù)和分布函數(shù)表達(dá)式為：

[f（x）=βαx-γαβ-1exp-x-γαβ] （2）

[F（x）=P（X≤x）=1-exp-x-γαβ] （3）

失效率函數(shù)：

[λ（x）=βαx-γαβ-1] （4）

可靠度函數(shù)：

[R（x）=exp-x-γαβ，" xgt;γ] （5）

式中：[β]——形狀參數(shù)，[βgt;0]；[α]——尺度參數(shù)，[αgt;0]；[γ]——位置參數(shù)，[γgt;0]。隨機(jī)變量[X]服從三參數(shù)威布爾分布，記為[X～W（α，β，γ）]。

本文參考文獻(xiàn)［50］中某型號(hào)葉片故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。利用Matlab軟件對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到風(fēng)力機(jī)葉片的概率分布函數(shù)，所得的參數(shù)估計(jì)、相關(guān)系數(shù)和誤差的計(jì)算結(jié)果如表9所示。

可以看出，失效率隨時(shí)間的增長(zhǎng)呈恒定上升特性，所以葉片的失效類(lèi)型為偶然和耗損失效，其故障原因主要是非預(yù)期的過(guò)載、誤操作、意外的天災(zāi)以及一些尚不清楚的偶然因素，以及產(chǎn)品已經(jīng)老化、疲勞、磨損、蠕變、腐蝕等所謂有耗損的原因所引起的。因此，通過(guò)可靠性分析，可采取加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)維的管理，就可大大減少產(chǎn)品的偶然和耗損期故障。

5 結(jié) 論

本文以風(fēng)力機(jī)葉片為研究對(duì)象，開(kāi)展基于PoF的可靠性仿真研究。提出一套完整的可靠性仿真分析流程，以更有效、更高效地評(píng)估風(fēng)力機(jī)葉片的可靠性，得出主要結(jié)論如下：

1）應(yīng)用基于PoF的可靠性仿真方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期通過(guò)數(shù)字化樣機(jī)對(duì)葉片進(jìn)行仿真，不僅考慮了葉片的材料特性、載荷特點(diǎn)及其加載方式等因素，同時(shí)也考慮了在役期間的狀態(tài)時(shí)序、工作環(huán)境等的影響。

2）通過(guò)開(kāi)展可靠性仿真試驗(yàn)，可以在早期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在故障點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供可靠性依據(jù)。

3）利用FMECA分析方法對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的損傷部位、故障模式及其影響和危害性進(jìn)行系統(tǒng)分析，通過(guò)定性分析確定高危害的故障模式和故障原因，并提出預(yù)防措施，為風(fēng)力機(jī)葉片的可靠性提升提供有效的技術(shù)支撐。

目前針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片產(chǎn)品的可靠性仿真分析技術(shù)還存在一定局限性，包括環(huán)境載荷不明確、結(jié)構(gòu)材料參數(shù)不確定性等問(wèn)題。本文僅對(duì)不同材料特性的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)因素進(jìn)行仿真分析，未能全面考慮諸如溫度交變、交變載荷等因素對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片可靠性的影響，存在一定的不確定性和局限性。

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RELIABILITY SIMULATION ANALYSIS METHOD OF WIND TURBINE BLADES BASED ON FAULT PHYSICS

Ge Xinyu1，Bi Junxi1，2，3，Li Haibin4，Nie Xiaobo1，Liu Jiang1

（1. College of Mechanical Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051， China；

2. Aviation College， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051， China；

3. Key Laboratory of Wind Energy and Solar Energy Technology， Ministry of Education， Inner Mongolia University of Technology，

Hohhot 010051， China； 4. College of Sciences， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051， China）

Abstract：This paper proposes a wind turbine blade reliability simulation and analysis method based on fault physics. By drawing task profiles and load profiles， the parameters such as blade material， structure， environmental conditions， and usage are loaded into a numerical calculation model for transient thermodynamics， vibration stress， and multi-stress coupling analysis. The results show that the maximum stress and heat concentration mainly occur at the root of the blade， and deformation mainly occurs in the middle to tip section of the blade. Starting from the causes and mechanisms of faults， the fault patterns of the blades are studied， and the collected fault information is processed using Failure Mode， Effects， and Criticality Analysis （FMECA）. Qualitative assessment indicators are quantified to establish a blade hazard matrix and FMECA table， conducting reliability assessment of high-risk fault data under failure modes， providing necessary theoretical support for engineering practices. This method offers higher precision compared to traditional manual reliability analysis methods， running parallel with development， production， maintenance， and management， and ensuring the achievement of product reliability requirements through continuous updates and iterations， providing new ideas and implementation methods for the reliability analysis of wind turbine blades.

Keywords：wind turbine blades； reliability analysis； failure modes； fluid structure interaction； physics of failure