風機葉片在臺風中結構破壞的分析

    自70 年代以來，大多數水平軸風機的葉片都是由復合材料制成的，最常用的復合材料是預應力玻璃剛塑料（GRP）。從結構上來講，復合材料的優點在于他們有較高的強度—重量或剛度—重量比以及較長的運行壽命等。我們知道，剛性—重量比決定著葉片的固有頻率，同時剛性強也將極大地影響葉片的形變。
    具體地講，楊氏彈性模量、結構及部件的設計、葉片材料的選用以及制造質量都是決定葉片總體剛性的主要因素，通過對具有特定剛性的葉片的模態分析，人們可以確定一些主要固有頻率及其形變和振動方向束。這種分析又叫振型分析。
     根據于午銘先生在其相關論文中所述，從地形上來講，九個所損壞的風機都處在復雜的丘陵地形區域中。如上所述，即使是在正常的運行情形下，風流通過該區域的時候都會產生一些尺度較大的湍渦流，這些湍渦流會增加風流的變化，或者說是風的湍流強度，因此增加了對風機主要部件的疲勞程度。所以說，處于此地形當中的風機將因此經受著比平原地區更為嚴峻的工況條件。特別是在經受熱帶氣旋的時候。從邊界層的角度來講，該區域的“粗糙度”也達到了較高的量值。
     當風流變化的頻率接近風機葉片的固有頻率時，就會激起葉片的共振，這對一個剛性葉片來講，就是一個荷載了，本文把這次熱帶氣旋——臺風“杜鵑”大風急湍流變化所帶來的葉片共振表述為葉片的極端疲勞荷載，這是一個非運行荷載。通過下述對葉片失效的調查性分析，我們將會看到這類荷載對風機葉片所造成的損害。
    眾所周知，一些材料可以經得起一次較重的荷載，但卻經不起重復施予其上的輕荷載。因為這種重復循環的應力和應變將導致其結構的破壞直至斷裂。S—N疲勞圖就是用來描述疲勞應力及其疲勞次數關系的圖。實驗表明，和蠕變損壞不同的是：由疲勞帶來的斷裂應力小于材料的實際屈服應力，疲勞循環次數越多，其失效的應力也就越小。
    4 失效性分析
    根據對損壞的9 個葉片的觀察，我們注意到，所有葉片的主大梁及前緣表面均無斷裂，從另一方面講，這一事實證明了葉片的主大梁基本上承受住了由臺風“杜鵑”帶來的劇烈的動態沖擊。具體來說，葉片的襟翼向和后緣向的彎曲振動是可以忽略的。因為此時這類中空葉片的較高的抗彎剛性使得葉片的彎諧振頻率遠高于由風湍流產生的激振頻率。但是這9 個葉片的后表面蒙皮（即翼殼后沿）受到了損壞，為什么呢？我們知道，實際的風機葉片在此時另外會受到扭諧振，當風流變化所帶來的激振荷載強勁而又與該葉片的固有頻率相同時，再加上極為重要的一點，即當葉片的設計和制造存在缺陷時。注意，此時這類扭諧振就是施予葉片的極端疲勞荷載。