摘要：风电叶片延长是在低风速区提高风力发电机年发电量最有效的方法，目前普遍采用结构胶粘接的方式实现叶片与延长节的连接，其疲劳性能决定了延长节运行的稳定性，高效准确的疲劳分析方法对工程应用尤为重要。为此，通过有限元方法，分别建立了全尺寸壳单元模型。研究结果表明，华能威宁40.25 m风电叶片延长节结构胶的疲劳强度满足GL标准，通过应变等效剪切应力的方法可以应用于工程上结构胶的疲劳强度分析。
关键词：延长节；结构胶；疲劳强度；有限元
0 引 言
近年来，气候变化已经成为全球性问题。据统计接近40%温室气体的产生与能源行业相关[1]。风能作为一种零排放的清洁能源，被认为是良好的化石燃料替代品。提高风力发电机功率是增加其经济效益的主要方法，而风力发电机功率与风电叶片长度的二次幂成正比，在低风速区域，延长叶片是捕获更多风能的最有效方法[2]。目前通常采用结构胶将原叶片与新叶尖进行粘接（如下图所示），因此，寻找高效准确的结构胶疲劳分析方法对工程具有重要的指导意义。
1 研究方法
1.1 壳单元模型
叶片采用复合材料制造，由于层合板结构复杂，在有限元分析中定位风电叶片不同展向、弦向铺层位置非常繁琐。为了节约计算时间，工程人员通常采用壳单元建立模型如图所示[4,5]。
在有限元疲劳分析中，加载方式主要为将等效疲劳载荷在各截面施加Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz 6个分量。根据GL标准[6]，结构胶剪切应力疲劳强度要求：
（1）
（2）
其中γMe—材料分项系数；γM0—分项系数；C1e——单向搭接剪切试验；C2e——温度效应；C3e——粘合面可再塑性；C4e——后固化粘合成型。为保证疲劳强度校核满足标准，选取计算后得到的最大剪切应力，粘接段的剪切应力计算公式：
（3）
（4）
其中ε、E、h分别为临近粘接段前后单元第k层材料的展向应变、弹性模量和厚度，L为粘接段长度。其中玻璃纤维布、泡沫和结构胶材料力学参数如下表所示。
2 结果与讨论
计算得到粘接段结构胶疲劳安全因子如图所示。图中可以看出不同m值情况下结构胶承受剪力随弦向位置变化趋势基本相同，主梁位置安全因子基本相同；其中前、后缘以及芯材位置安全因子较大，危险区域集中在主梁位置。安全因子满足标准要求，最小安全因子1.001发生在m值为12弦向-158.3 mm叶根方向吸力面壳体。
3 结论
通过有限元分析得到结论：40.25 m风电叶片延长后粘接段结构胶疲劳强度满足GL标准，通过层间应变等效应力的方法可以应用于工程上结构胶的疲劳强度分析。
参考文献:
[1]Zhou Yangchun， Zhang Bing， Zou Ji， et al. Jiont R&D in low-carbon technology development in China: A case study of the wind-turbine manufacturing industry[J]. Energy Policy， 2012， 46： 100—108.
[2]Wu Guangxing， Qin Zhiwen， Zhang Lei， et al. Strain response analysis of adhesively bonded extended composite wind turbine blade suffering unsteady aerodynamic loads[J]. Engineeering Failure Analysis， 2018， 85： 36—49.
[3]Hua Yi， Ananth Ram Mahanth Kasavajhala， Gu Linxia. Elastic-plastic analysis and strength evaluation of adhesive joints in wind turbine blades[J]. Composites Part B Engineering， 2013， 44(1)： 650—656.
[4]Y.M Ji， K.S. Han. Fracture mechanics approach for failure of adhesive joints in wind turbine blades[J]. Renewable Energy， 2014， 65： 23—28.
[5]Jeppe B. Jørgensen， Bent F. Søresen， Casper Kildegaard. Tunneling cracks in full scale wind turbine blade joints[J]. Engineering Fracture Mechanics， 2018， 189： 361—376.
论文作者:徐超,詹彪,朱玉瑞
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
标签：疲劳论文; 叶片论文; 结构胶论文; 强度论文; 方法论文; 粘接论文; 应力论文; 《电力设备》2019年第5期论文;