風(fēng)機(jī)葉片在臺(tái)風(fēng)中結(jié)構(gòu)破壞的分析

    自70 年代以來(lái)，大多數(shù)水平軸風(fēng)機(jī)的葉片都是由復(fù)合材料制成的，最常用的復(fù)合材料是預(yù)應(yīng)力玻璃剛塑料（GRP）。從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)在于他們有較高的強(qiáng)度—重量或剛度—重量比以及較長(zhǎng)的運(yùn)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(shí)剛性強(qiáng)也將極大地影響葉片的形變。
    具體地講，楊氏彈性模量、結(jié)構(gòu)及部件的設(shè)計(jì)、葉片材料的選用以及制造質(zhì)量都是決定葉片總體剛性的主要因素，通過(guò)對(duì)具有特定剛性的葉片的模態(tài)分析，人們可以確定一些主要固有頻率及其形變和振動(dòng)方向束。這種分析又叫振型分析。
     根據(jù)于午銘先生在其相關(guān)論文中所述，從地形上來(lái)講，九個(gè)所損壞的風(fēng)機(jī)都處在復(fù)雜的丘陵地形區(qū)域中。如上所述，即使是在正常的運(yùn)行情形下，風(fēng)流通過(guò)該區(qū)域的時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生一些尺度較大的湍渦流，這些湍渦流會(huì)增加風(fēng)流的變化，或者說(shuō)是風(fēng)的湍流強(qiáng)度，因此增加了對(duì)風(fēng)機(jī)主要部件的疲勞程度。所以說(shuō)，處于此地形當(dāng)中的風(fēng)機(jī)將因此經(jīng)受著比平原地區(qū)更為嚴(yán)峻的工況條件。特別是在經(jīng)受熱帶氣旋的時(shí)候。從邊界層的角度來(lái)講，該區(qū)域的“粗糙度”也達(dá)到了較高的量值。
     當(dāng)風(fēng)流變化的頻率接近風(fēng)機(jī)葉片的固有頻率時(shí)，就會(huì)激起葉片的共振，這對(duì)一個(gè)剛性葉片來(lái)講，就是一個(gè)荷載了，本文把這次熱帶氣旋——臺(tái)風(fēng)“杜鵑”大風(fēng)急湍流變化所帶來(lái)的葉片共振表述為葉片的極端疲勞荷載，這是一個(gè)非運(yùn)行荷載。通過(guò)下述對(duì)葉片失效的調(diào)查性分析，我們將會(huì)看到這類荷載對(duì)風(fēng)機(jī)葉片所造成的損害。
    眾所周知，一些材料可以經(jīng)得起一次較重的荷載，但卻經(jīng)不起重復(fù)施予其上的輕荷載。因?yàn)檫@種重復(fù)循環(huán)的應(yīng)力和應(yīng)變將導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的破壞直至斷裂。S—N疲勞圖就是用來(lái)描述疲勞應(yīng)力及其疲勞次數(shù)關(guān)系的圖。實(shí)驗(yàn)表明，和蠕變損壞不同的是：由疲勞帶來(lái)的斷裂應(yīng)力小于材料的實(shí)際屈服應(yīng)力，疲勞循環(huán)次數(shù)越多，其失效的應(yīng)力也就越小。
    4 失效性分析
    根據(jù)對(duì)損壞的9 個(gè)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(wú)斷裂，從另一方面講，這一事實(shí)證明了葉片的主大梁基本上承受住了由臺(tái)風(fēng)“杜鵑”帶來(lái)的劇烈的動(dòng)態(tài)沖擊。具體來(lái)說(shuō)，葉片的襟翼向和后緣向的彎曲振動(dòng)是可以忽略的。因?yàn)榇藭r(shí)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(yuǎn)高于由風(fēng)湍流產(chǎn)生的激振頻率。但是這9 個(gè)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(shí)際的風(fēng)機(jī)葉片在此時(shí)另外會(huì)受到扭諧振，當(dāng)風(fēng)流變化所帶來(lái)的激振荷載強(qiáng)勁而又與該葉片的固有頻率相同時(shí)，再加上極為重要的一點(diǎn)，即當(dāng)葉片的設(shè)計(jì)和制造存在缺陷時(shí)。注意，此時(shí)這類扭諧振就是施予葉片的極端疲勞荷載。