風力機葉片尾緣幾何與結構構型對尾緣膠接剪切疲勞性能的影響研究

牛牧華,陳 程，李 倩

（1.無錫太湖學院，江蘇 無錫 214064；2.南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 210016；3.無錫風電設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214172）

0 引言

隨著風能產業(yè)的快速發(fā)展，風電機組正在向著大型化方向發(fā)展[1]，成本和結構可靠性等問題受到越來越多的重視。隨著風電裝機容量的逐年提高，葉片樣本數(shù)量有了極大的豐富，通過對葉片的運維檢查發(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]。目前風力機葉片的生產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

對于葉片中常見的T型粘接和搭接的研究，學術界已取得不少成果[3]。通過對風電場葉片的運維檢查發(fā)現(xiàn)，葉片尾緣開裂是葉片比較常見的一種損傷[4]。造成尾緣開裂的原因是復雜的，關于這方面的研究還較少。文獻[5]，[6]提出了一種將有限元殼單元和體單元相結合的模擬方法，對尾緣的粘接進行了理論研究。Samborsky D D[7]研究了結構膠的裂紋在靜態(tài)載荷和疲勞載荷作用下的擴展。Hua Y[8]在膠層的層間應力作用下，研究了膠接材料的性能和幾何特性對力學性能的影響。Ji Y M[9]利用斷裂力學方法研究了風力機葉片膠接的失效機理。但目前試驗研究方法還無法精確實現(xiàn)復雜的動態(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態(tài)疲勞載荷轉換為等幅載荷。但在載荷簡化處理過程中會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)狀與存在的問題，本文將有限元方法和應力轉換矩陣方法（FEM-STM）[10]相結合，無須對載荷進行簡化處理，分析過程中直接采用動態(tài)的載荷時間歷程。針對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力轉換矩陣方法來分析尾緣的膠接剪切疲勞損傷，通過算例對比研究結構構型對尾緣膠接疲勞的影響。

1 分析方法

1.1 結構構型與建模策略

葉片生產工藝普遍采用上下兩片模具單獨加工兩片殼體，然后和腹板粘接在一起，形成一個完整的葉片。由于受幾何外形和結構定位的約束，葉片尾緣的殼體內部間距是連續(xù)變化的。一般來說，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。

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

當尾緣粘接間距較大時，采用A型粘接方式，A型粘接方式有預制的粘接法蘭來輔助粘接。當粘接的間距較小時，采用C型粘接方式，為了控制好粘接間距，須要調節(jié)玻纖布的定位和錯層。當粘接間距介于A型和C型之間時，則采用B型粘接方式，通過預制填充物來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，實體單元模擬的結構膠在厚度方向上劃分為5層。

圖3為結構膠粘接線邊緣的3種倒角和外包邊的鋪設方式。

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

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

1.2 疲勞性能測試與應用

為了獲得結構膠的剪切疲勞性能S-N曲線，采用由米德（中國）有限公司生產的雙組分膠1807AB/1807AHA，按照ISO 9664：1993[11]在MTS-809萬能試驗機上進行標準的試樣測試。在疲勞性能測試中，測試的最大應力分為7個等級，包含6，6.3，6.6，6.9，7，8MPa和10MPa，應力比為0.1，測試頻率為30Hz，測試的環(huán)境溫度為23±2℃，濕度為50%±5%RH。測試的結果顯示在雙對數(shù)坐標系中（圖4）。

圖4 疲勞性能測試結果Fig.4 S-N curve of the shear property of the adhesive

測試只包含應力比R=0.1的結果，其他應力比的疲勞性能可以通過對等壽命曲線進行插值得到。插值方法可以參考DNV-OS-C501[12]。

1.3 有限元與應力轉換矩陣方法

應力轉換矩陣方法是基于線彈性假設，可以將無規(guī)律的時序動態(tài)載荷轉換為時序的應力。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，一端固定約束，另一端與多點約束（MPC）的從節(jié)點相連接，而MPC的主節(jié)點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

通過在主節(jié)點上分別施加6個單位載荷（Mx，My，Mz，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z），得到的應力分量可以組裝得到葉片上各個節(jié)點位置處的應力轉換矩陣。應力轉換矩陣的物理意義是外載與結構應力的轉換關系。利用該轉換關系可以將復雜無規(guī)律的外載轉換為結構的應力，并且該運算具有很高的計算效率。

1.4 載荷工況

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

圖6為計算得到的一個正常發(fā)電工況的力矩和剪力圖。該發(fā)電工況的風速為6m/s，且風輪無偏航角。

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

本文采用某型號1.5MW的45.3m長葉片模型進行膠接疲勞分析，通過載荷仿真得到各截面的動態(tài)疲勞載荷時間歷程曲線，再利用葉片的結構模型計算得到尾緣膠接的應力轉換矩陣。該應力轉換矩陣可將時間歷程曲線轉換為應力時間歷程曲線。結合疲勞測試，通過膠接材料的疲勞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算結果。

2 計算結果與討論

2.1 外形為40%相對厚度的損傷結果

外形為40%相對厚度的尾緣空間大，故采用輔助粘接法蘭進行粘接。局部模型和膠層的序號如圖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的損傷對比如圖8所示。由圖8可知：對于貼近殼體的第1層，當?shù)菇桥c殼體夾角為銳角時損傷最大，當?shù)菇桥c殼體夾角為鈍角時損傷最小；對于遠離殼體的第5層則恰好有相反的結果，當?shù)菇桥c殼體夾角為銳角時損傷最小，當?shù)菇桥c殼體夾角為鈍角時損傷最大。

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

葉片合模后，粘接線終點的膠會暴露在外，模型對比如圖9所示。

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

圖10為網格中間層的結果與基準模型的對比曲線。由圖10可知，沒有外包邊的損傷會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的損傷結果對比Fig.10 Comparison of the results of 40%RT

2.2 外形為30%相對厚度的損傷結果

3種倒角類型的粘接線起點的損傷對比如圖11所示。

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

由圖11可知：對于第1層，當?shù)菇桥c殼體夾角為銳角時損傷最大，當?shù)菇桥c殼體夾角為鈍角時損傷最小；對于第5層，當?shù)菇桥c殼體夾角為銳角時損傷最小，當?shù)菇桥c殼體夾角為鈍角時損傷最大。

圖12為網格中間層的結果與基準模型的對比。由圖可以看出，沒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的損傷結果對比Fig.12 Comparison of the results of 30%RT

2.3 外形為25%相對厚度的損傷結果

該形狀的翼型一般處于捕獲風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。

粘接空間完全由結構鋪層定位來控制，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比曲線。

圖14 不同倒角型式的損傷對比Fig.14 Comparison of different types of chamfering

由圖14可知：對于貼近殼體的第1層，當?shù)菇桥c殼體夾角為銳角時損傷最大，當?shù)菇桥c殼體夾角為鈍角時損傷最小；對于遠離殼體的第5層，當?shù)菇桥c殼體夾角為銳角時損傷最小，當?shù)菇桥c殼體夾角為鈍角時損傷最大。該結果與倒圓角可降低應力集中的常識一致。通過對不同倒角類型損傷結果的對比發(fā)現(xiàn)，粘接線起點處的倒角能有效降低膠接的損傷。一般來說，在生產的合模時擠出的膠會在粘接線處形成銳角，如果不做特殊處理，則會形成較高的疲勞損傷區(qū)域。在生產和維修中可以利用具有特殊形狀的刮板對粘接線的起點進行刮膠處理，一方面可以移除多余的結構膠，另一方面可以形成鈍角的收口以降低疲勞損傷。

3 結論

為了研究尾緣膠接構型對結構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)點位置處的應力轉換矩陣。通過材料測試獲得膠的剪切疲勞性能，再利用GH BLADED軟件得到葉片的動態(tài)時間歷程載荷，最后利用應力轉換矩陣得到時間歷程應力，并通過等壽命曲線插值得到疲勞損傷。

通過結果對比發(fā)現(xiàn)，尾緣膠接的結構構型對尾緣膠的損傷有明顯的影響。在粘接線起點處將倒角處理成鈍角可以降低局部范圍的疲勞損傷，即對于重要的粘接面，宜將粘接線起點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設置為圓角是合理的。

尾緣的外包邊對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，影響達到粘接寬度的15%～20%。