基于流固耦合的風力機葉片裂紋擴展機理研究

周 勃，張亞楠，王琳琳，陳長征

（1.沈陽工業大學，遼寧沈陽 110870；2.遼寧省振動噪聲控制技術工程研究中心，遼寧沈陽 110870）

1 前言

葉片是風力機獲取風能的關鍵部件，在嚴苛的自然環境和復雜的載荷共同作用下，葉片經常出現大量裂紋導致風力機維護費用和停機損失劇增，是導致風電成本高昂的主要因素之一［1,2］。風力機葉片常采用復合材料制造，當風力機葉片在加工過程中出現樹脂含有孔洞或分布不均、纖維排列不均勻或出現斷頭、基體與纖維脫膠等損傷形式時，隨著葉片結構載荷的增加，就會加劇材料損傷，逐漸出現基體開裂、界面脫粘、層間開裂和纖維斷裂等破壞［3］。在很多斷裂事故中，斷裂是由結構中存在缺陷或裂紋引起的，這種由裂紋所引起的機械部件、結構體的斷裂失效，是工程中最常見、最重要的失效模式［4］。裂紋強度因子也是分析裂紋的一個重要標準，Shahani在對環狀結構內表面存在的半橢圓裂紋進行有限元分析時，討論了材料性能、壓力等對裂紋應力強度因子的影響［5］。汪泉等基于修正的動量葉素理論，提出了一種新的風力機葉片流固耦合方法，解決了在葉片優化研究過程中氣動載荷加載這一關鍵問題［6］。Oh SY等對風力機葉片復合材料建模進行了論述，但對于風力載荷對葉片的振動失效的影響考慮不足［7］。陳海萍等對葉片流固耦合的應力分布進行了分析與說明，但對葉片周圍氣流影響范圍考慮不是很充分［8］。金雪紅等結合K-ω SST湍流模型，對不同風速下的風輪流場分布及壓力分布的異同進行了分析，為后續研究提供了良好的拓展思想［9］。……