復合材料風力機葉片表面裂紋擴展的模擬研究

焦念鵬，宋 力，2，3，陳永艷，2，3，焦曉峰，馮 瑞，樊 亮

（1.內蒙古工業大學 能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.風能太陽能利用技術教育部重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051；3.內蒙古自治區可再生能源重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051；4.內蒙古電力（集團）有限責任公司內蒙古電力科學研究院分公司，內蒙古 呼和浩特 010051；5.國水集團化德風電有限公司，內蒙古 烏蘭察布 013350）

0 引言

裂紋是風力機葉片損傷的主要形式之一，風力機在運行過程中受到復雜載荷的影響，容易在應力集中部位產生裂紋。在應力的積累過程中，裂紋會產生進一步擴展，進而導致葉片的斷裂。因此，研究葉片表面裂紋的擴展機理具有重要意義。

研究風力機葉片表面裂紋，首先要研究葉片的受力特性，通常基于流固耦合理論對葉片的受力進行研究。Himayat Ullah[1]計算了復雜載荷下風力機葉片的應力分布規律，找到了容易導致葉片失效的高應力區域。周勃[2]基于流固耦合理論，通過分析葉片表面裂紋的應力強度因子，研究其擴展規律。由于風力機葉片由復合材料制成，其表面裂紋擴展的機理極為復雜。近年來，隨著擴展有限元（XFEM）方法的發展，其在復合材料裂紋擴展的研究領域得到了推廣。楊宇宙[3]基于XFEM法分析了內沖擊載荷循環作用下復合材料的疲勞裂紋擴展特性。彭英[4]針對某平板結構，研究了裂紋初始角度、初始長度和所受載荷大小等因素對裂紋擴展路徑的影響。Matthias Holl[5]提出了一種研究三維物體表面裂紋擴展的多尺度方法，并將該方法應用于燃氣輪機葉片表面裂紋的研究。……