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

    關(guān)于疲勞損壞的原因是復(fù)雜的，但還是可以用最簡(jiǎn)單的想象把疲勞損壞看作為緣于極小裂紋的生長(zhǎng)開始，這類失效的機(jī)制顯然是因?yàn)槿~片表面的極小的區(qū)域受到了局部集中應(yīng)力的影響，這個(gè)局部集中應(yīng)力又遠(yuǎn)大于粘接葉片翼后緣膠的粘合平均應(yīng)力以及葉片蒙皮復(fù)合材料的平均應(yīng)力。當(dāng)這類較高的切應(yīng)力反復(fù)作用時(shí)，就導(dǎo)致了極微裂痕的形成，這些極微裂痕又會(huì)進(jìn)一步延伸至粘膠層內(nèi)部和葉片蒙皮的相鄰區(qū)域中去，最終導(dǎo)致粘膠和復(fù)合蒙皮強(qiáng)度的降低。宏觀結(jié)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(fù)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(qiáng)度一同導(dǎo)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(dāng)?shù)闹鲗?dǎo)作用，同時(shí)應(yīng)該指出的是本次破壞活動(dòng)還有嚴(yán)重的二次破壞現(xiàn)象（見圖4、5）。注意，扭諧振是關(guān)于葉片主梁對(duì)稱的，這可以用來解釋為什么大多數(shù)葉片的損壞發(fā)生在翼的上下兩側(cè)的原因。
    至于每臺(tái)受損風(fēng)機(jī)為什么只有一只葉片遭到破壞的原因是以下三個(gè)因素同時(shí)作用的結(jié)果：
    1、風(fēng)機(jī)葉片的固有頻率（葉片的諧振方向）；
    2、風(fēng)湍流的激振（風(fēng)的變化方向）；
    3、 葉片的位置使其自身的諧振方向與來風(fēng)的諧振方向一致。
    對(duì)于最后一個(gè)條件一旦某葉片恰好占據(jù)了恰當(dāng)?shù)奈恢茫敲戳硗鈨蓚€(gè)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(dāng)?shù)牟牧蟿傂浴⑶‘?dāng)?shù)臅r(shí)間以及恰當(dāng)?shù)奈恢茫瑳Q定了只能有一個(gè)葉片受損。
    到目前為止，我們得出結(jié)論，臺(tái)風(fēng)“杜鵑”在復(fù)雜地形區(qū)域/丘陵地帶中所帶來的風(fēng)湍流激起了處于恰當(dāng)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(jié)構(gòu)的損壞起，葉片的空氣動(dòng)力學(xué)功能便隨之喪失。進(jìn)一步來講，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功能也因此不復(fù)存在。同時(shí)還注意到，在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中來自于運(yùn)行態(tài)和非運(yùn)行態(tài)的疲勞荷載都是至關(guān)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(guān)位置，作者特別制作了一個(gè)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(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)之中，以探討其振動(dòng)和失效的演變（參見圖6、7）。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都是概念性模擬并對(duì)此次失效分析的研究有著一定的幫助。
    5 關(guān)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(shè)計(jì)的最重要的目標(biāo)之一就是去避開諧振，也就是除去施予風(fēng)機(jī)葉片上的極端疲勞荷載。因此在這種情形下，扭轉(zhuǎn)剛度的改善應(yīng)該集中在以下幾個(gè)方面：
    1、主梁結(jié)構(gòu)：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）。