风力机叶片原生缺陷转捩的能量释放机理研究

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1、第３８卷第１２期仪器仪表学报Ｖｏｌ３８Ｎｏ１２２０１７年１２月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＤｅｃ．２０１７风力机叶片原生缺陷转捩的能量释放机理研究１，２１２２周勃，俞方艾，张亚楠，陈长征（１．沈阳工业大学建筑与土木工程学院沈阳１１０８７０；２．辽宁省振动噪声控制技术工程研究中心沈阳１１０８７０）摘要：针对风力机叶片原生缺陷演化为裂纹进而扩展导致断裂的问题，分析细观缺陷在外载荷作用下转捩为宏观裂纹的能量释放定量关系明晰裂纹萌生机理。首先根据风力机叶片的载荷特点构造一个新的应力函数，基于正交异性复合材

2、料基本公式求解原生缺陷层间开裂的应力强度因子、应力应变和位移分量，由此获得细观缺陷变形过程释放的塑性应变能；使用红外热像仪采集原生缺陷转捩过程的温度场并计算热能耗散量，基于不可逆热力学定律获得内储能随着疲劳周期的变化规律；最后，在万能试验机上对含有气泡和纤维断裂的叶片试件进行疲劳试验。结果表明，应用提出的应力函数的计算结果与试验结果误差较小，可作为细观缺陷变形时塑性应变能的计算依据。原生缺陷转捩为微小裂纹时，内储能的变化规律可作为判断缺陷类型和程度的依据。这项研究探索复合多层材料跨尺度的疲劳能量理论，有助于实现风电机组关键部件的全寿命周期监测。关

3、键词：风力机叶片；原生缺陷；细观损伤；红外热像；不可逆热力学理论中图分类号：ＴＫ８３ＴＨ１６５文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：４７０．２０Ｓｔｕｄｙｏｎｅｎｅｒｇｙｒｅｌｅａｓｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｎａｔｉｖｅｄｅｆｅｃｔｓｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ１，２１２２ＺｈｏｕＢｏ，ＹｕＦａｎｇａｉ，ＺｈａｎｇＹａ′ｎａｎ，ＣｈｅｎＣｈａｎｇｚｈｅｎｇ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１

4、０８７０，Ｃｈｉｎａ；２．ＬｉａｏｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒｆｏｒＶｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄＮｏｉｓｅＣｏｎｔｒｏｌ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８７０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅｎａｔｉｖｅｄｅｆｅｃｔｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｉｓｄｅｆｉｎｅｄｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｅｎｅｒｇｙｒｅｌｅａｓｅｄｕｒ

5、ｉｎｇｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃｄｅｆｅｃｔｓｔｏｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃｃｒａｃｋｓｕｎｄｅｒｅｘｔｅｒｎａｌｌｏａｄｉｎｇ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｎｅｗｓｔｒｅｓｓｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｌｏａｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｃｆｏｒｍｕｌａｏｆｔｈｅｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｆａｃｔｏｒ，ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎａｎｄｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ

6、ｏｆｔｈｅｎａｔｉｖｅｄｅｆｅｃｔａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｓｔｒａｉｎｅｎｅｒｇｙｏｆｔｈｅｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃｄｅｆｅｃｔｓｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｔｈｅｒｍａｌｉｍａｇｅｒ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｎａｔｉｖｅｄｅｆｅｃｔｓｉｓｃｏｌｌｅｃｔｅｄａｎｄｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｒｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ，ｔｈｅｖａ

7、ｒｉａｔｉｏｎｌａｗｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｓｔｏｒａｇｅｅｎｅｒｇｙｗｉｔｈｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｃｙｃｌｅｓｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｂｌａｄｅｓｐｅｃｉｍｅｎｗｉｔｈｂｕｂｂｌｅａｎｄｆｉｂｅｒｆｒａｃｔｕｒｅｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄｆｏｒｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｅｒｒｏｒｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｕｓｉｎｇｔｈｅｎｅｗｓｔｒｅｓｓｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｖａｌｕｅｉｓｓｍａｌｌｅｒ．Ｔｈｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｐｒｏ

8、ｐｏｓｅｄｓｔｒｅｓｓｆｕｎｃｔｉｏｎｃａｎｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｓｔｒａｉｎｅｎｅｒｇｙｆｏｒｔ