葉片疲勞測試中的相關問題——武莉萍/副經理

連云港中復連眾復合材料集團有限公司武莉萍/副經理

　　各位葉片行業同仁的大家下午好，我是連云港中復連眾檢測中心，我負責材料，包括葉片巡視實驗的。我今天匯報的材料葉片測試相關的問題。

　　在風電機組中,葉片是最基礎、最核心、最關鍵的部件之一，其疲勞損傷問題是風電葉片設計、制造、運行的共同關注的一項重要內容。在風電葉片設計中，一般要求風電葉片能滿足20年的使用壽命。風電機組在非定常載荷作用下的運行特性使其易發生疲勞損壞，嚴重影響風電機組安全運行的可靠性和使用壽命。且由于其材質、結構、工藝以及工作環境的復雜性，導致葉片的疲勞性能幾乎不可能通過計算得到。因此只有進行全尺寸葉片的疲勞測試才能提供對設計的可靠確認。通過測試，可以將測試數據與設計數據比較，以掌握葉片的疲勞性能，從而進行優化與改性。

　　連云港中復連眾復合材料集團有限公司是一家集開發、生產于一身的玻璃鋼行業龍頭規模企業。連云港中復連眾復合材料集團有限公司檢測中心隸屬于連云港中復連眾復合材料集團有限公司,成立于2005年,原葉片事業部實驗室,于2009年正式成立為檢測中心。檢測中心現有固定資產總額約2783萬元，占地面積7265平方米，其中試驗場地7557平方米。經過多次發展改造，現已基本建成了一個能對樹脂、玻纖、涂料、葉片等進行專業檢測的檢測中心。本檢測中心在公司技術副總經理的領導下，管理層設有中心經理、技術負責人（領域技術負責人）及質量負責人；檢測中心下分為管罐材料檢測室、葉片材料檢測室、葉片檢測室3個職能部門。

　　本檢測中心各項規章制度健全，有明確的崗位責任制和完善的管理體系。本檢測中心對影響檢測質量的因素進行有效的控制，確保檢測質量。本檢測中心還將本著“嚴謹、規范、高效、協作”的原則和對客戶及社會高度負責的精神，及時向客戶提供科學、公正、準確的檢測報告。

　　由于風電葉片實際疲勞壽命周期很長，所以疲勞試驗大都依據損傷等效原則加速試驗。

　　本中心目前所采用的疲勞加載方式為單點加載方式。通過剛度、應變等監控觀察葉片損傷情況，并通過達到規定加載循環次數后的各項相關檢查，判斷是否損壞以及損壞程度。疲勞試驗載荷包括平均載荷和周期載荷。周期載荷通過采用電機驅動減速裝置，帶動偏心質量塊旋轉，以某一頻率的激勵風輪葉片，產生試驗所需的、穩定的等幅循環載荷。平均載荷通過在葉片上安裝一定的質量夾具進行施加。

　　風電葉片進行疲勞加載試驗時，根部通過若干個高強度螺栓固定在加載基座上。在加載點位置安裝一個疲勞加載系統，該系統由偏心塊、電動機、葉片夾具、減速箱和電控系統等組成，沿葉片展向70%處固定疲勞加載驅動裝置，葉片振幅的測量通過激光測距儀完成，葉片表面按照大綱要求布置應變片，使用動態應變儀全程采集。

　　我們的實驗設備包括有加載系統電機驅動減速裝置，帶動偏心質量塊旋轉，以某一頻率的激勵風輪葉片，產生試驗所需的、穩定的等幅循環載荷。激光位移傳感器，采集葉片撓度數據葉片在試驗過程中的撓度變化，直接反應葉片的剛度變化。

　　動態應變采集儀，采集應變數據，試驗中用于監控葉片變形以及損傷情況。

　　試驗前需要對載荷進行標定，通過對葉片施加一系列載荷，記錄應變、繞度數據。

　　根據所要求的設計載荷，確定葉片所應達到的應變值，并以此為依據，來確定加載裝置合適的偏心輪質量，滿足設計要求。為了準確把握葉片在所要求的設計疲勞載荷作用下的損傷情況，應保證大部分區域所承受的試驗載荷與設計要求一致。但事實上，由于加載裝置的限制，這一點很難實現。本中心采用單點加載方式，只能保障葉片部分截面試驗載荷與設計載荷相同或相近。

　　我們做了葉片固有頻率對葉片疲勞是影響：以某疲勞葉片為例，固有頻率為0.98Hz。設定變頻器輸出不同的頻率，分別為0.85Hz、0.98Hz和1.1Hz，得到不同加載頻率驅動下葉片振幅的變化曲線，當加載頻率為0.85HZ時，小于葉片的固有頻率，此時葉片穩定狀態時的振幅較小，約為170mm,當加載頻率為0.98Ｈz時等于葉片的一階固有頻率，穩定后葉片的振幅最大，約為200mm認為兩者發生共振現象，基本能滿足疲勞加載試驗的要求，當繼續增大驅動頻率達到1.1HZ時，由于共振頻率偏離較大，振幅顯得絮亂。由于疲勞葉片試驗周期較長，受季節、晝夜溫差及其他環境因素的影響，葉片試驗處在變化的溫度環境下。因此溫度對疲勞試驗具有很大影響。

　　由以上圖表，我們可以發現，葉片的剛度變化與溫度變化成正比，應變值與溫度成正比，溫度微小的波動，會引起葉片剛度較大的變化。

　　實驗結果評價：玻璃鋼材料疲勞過程是一個蒙皮剝離。基體開裂和纖維斷裂的過程，表現出彈性模量降低，因此可以用剛度降低程度作為破壞標準，通常以10%-15%的剛度降低作為疲勞破壞的標準。通過采用葉片危險截面所布置的應變片采集的數據觀察葉片結構在疲勞載荷作用下的應變變化情況。可有助于發現及判斷葉片損傷情況以及結構剛度變化情況。

　　此外還可以通過采用目測和敲擊的方式對葉片表面、內部均進行檢查。

　　我們的結論就是葉片全尺寸疲勞試驗是檢測葉片抗疲勞損傷性能的重要手段。通過開展全尺寸疲勞試驗，可以掌握葉片疲勞耐久性能，了解葉片損傷分布，有助于闡明風電葉片疲勞損傷破壞機理。采取不同的加載方式將影響試驗與檢測結果，因此方案的制定，要根據設備、成本、周期、試驗目睹等具體因素綜合考慮。有效的解決溫度對于疲勞試驗的影響，將大大增加檢測試驗結果的準確性。