風機葉片在臺風中結構破壞的分析

    關于疲勞損壞的原因是復雜的，但還是可以用最簡單的想象把疲勞損壞看作為緣于極小裂紋的生長開始，這類失效的機制顯然是因為葉片表面的極小的區域受到了局部集中應力的影響，這個局部集中應力又遠大于粘接葉片翼后緣膠的粘合平均應力以及葉片蒙皮復合材料的平均應力。當這類較高的切應力反復作用時，就導致了極微裂痕的形成，這些極微裂痕又會進一步延伸至粘膠層內部和葉片蒙皮的相鄰區域中去，最終導致粘膠和復合蒙皮強度的降低。宏觀結果是上下蒙皮匯合處的后翼沿開裂以及葉片蒙皮斷裂。葉片蒙皮的整體性剛度因此受到損壞（參見圖1）。此外，這類復合材料較低的楊氏彈性模量和主梁、蒙皮間較差的膠粘接強度一同導致了蒙皮的鼓包斷裂（見圖2、3）。這類鼓包斷裂在此次極端失效中起著相當的主導作用，同時應該指出的是本次破壞活動還有嚴重的二次破壞現象（見圖4、5）。注意，扭諧振是關于葉片主梁對稱的，這可以用來解釋為什么大多數葉片的損壞發生在翼的上下兩側的原因。
    至于每臺受損風機為什么只有一只葉片遭到破壞的原因是以下三個因素同時作用的結果：
    1、風機葉片的固有頻率（葉片的諧振方向）；
    2、風湍流的激振（風的變化方向）；
    3、 葉片的位置使其自身的諧振方向與來風的諧振方向一致。
    對于最后一個條件一旦某葉片恰好占據了恰當的位置，那么另外兩個葉片便沒有可能在這360°范圍擁有同一位置了。總的來講，恰當的材料剛性、恰當的時間以及恰當的位置，決定了只能有一個葉片受損。
    到目前為止，我們得出結論，臺風“杜鵑”在復雜地形區域/丘陵地帶中所帶來的風湍流激起了處于恰當位置的那一葉片的扭諧振是葉片損壞的決定性原因之一。另一方面，自葉片蒙皮幾何結構的損壞起，葉片的空氣動力學功能便隨之喪失。進一步來講，風機的運行功能也因此不復存在。同時還注意到，在風機設計過程中來自于運行態和非運行態的疲勞荷載都是至關重要的。
    為了定性地探討，扭矩荷載下的變形，斷裂和斷裂的相關位置，作者特別制作了一個小比例紙制葉片，其中有一中空塑料主梁。該紙制葉片也曾于一貫流風機產生的風場之中，以探討其振動和失效的演變（參見圖6、7）。這兩個實驗都是概念性模擬并對此次失效分析的研究有著一定的幫助。
    5 關注與討論
    我們知道，剛性——重量比決定葉片的固有頻率，因此葉片設計的最重要的目標之一就是去避開諧振，也就是除去施予風機葉片上的極端疲勞荷載。因此在這種情形下，扭轉剛度的改善應該集中在以下幾個方面：
    1、主梁結構：尤其是在接近于葉根處的大面積中空和葉片上半部的剛性的處理（見圖4、9）。