风机叶片在台风中结构破坏的分析

    自70 年代以来，大多数水平轴风机的叶片都是由复合材料制成的，最常用的复合材料是预应力玻璃刚塑料（GRP）。从结构上来讲，复合材料的优点在于他们有较高的强度—重量或刚度—重量比以及较长的运行寿命等。我们知道，刚性—重量比决定着叶片的固有频率，同时刚性强也将极大地影响叶片的形变。
    具体地讲，杨氏弹性模量、结构及部件的设计、叶片材料的选用以及制造质量都是决定叶片总体刚性的主要因素，通过对具有特定刚性的叶片的模态分析，人们可以确定一些主要固有频率及其形变和振动方向束。这种分析又叫振型分析。
     根据于午铭先生在其相关论文中所述，从地形上来讲，九个所损坏的风机都处在复杂的丘陵地形区域中。如上所述，即使是在正常的运行情形下，风流通过该区域的时候都会产生一些尺度较大的湍涡流，这些湍涡流会增加风流的变化，或者说是风的湍流强度，因此增加了对风机主要部件的疲劳程度。所以说，处于此地形当中的风机将因此经受着比平原地区更为严峻的工况条件。特别是在经受热带气旋的时候。从边界层的角度来讲，该区域的“粗糙度”也达到了较高的量值。
     当风流变化的频率接近风机叶片的固有频率时，就会激起叶片的共振，这对一个刚性叶片来讲，就是一个荷载了，本文把这次热带气旋——台风“杜鹃”大风急湍流变化所带来的叶片共振表述为叶片的极端疲劳荷载，这是一个非运行荷载。通过下述对叶片失效的调查性分析，我们将会看到这类荷载对风机叶片所造成的损害。
    众所周知，一些材料可以经得起一次较重的荷载，但却经不起重复施予其上的轻荷载。因为这种重复循环的应力和应变将导致其结构的破坏直至断裂。S—N疲劳图就是用来描述疲劳应力及其疲劳次数关系的图。实验表明，和蠕变损坏不同的是：由疲劳带来的断裂应力小于材料的实际屈服应力，疲劳循环次数越多，其失效的应力也就越小。
    4 失效性分析
    根据对损坏的9 个叶片的观察，我们注意到，所有叶片的主大梁及前缘表面均无断裂，从另一方面讲，这一事实证明了叶片的主大梁基本上承受住了由台风“杜鹃”带来的剧烈的动态冲击。具体来说，叶片的襟翼向和后缘向的弯曲振动是可以忽略的。因为此时这类中空叶片的较高的抗弯刚性使得叶片的弯谐振频率远高于由风湍流产生的激振频率。但是这9 个叶片的后表面蒙皮（即翼壳后沿）受到了损坏，为什么呢？我们知道，实际的风机叶片在此时另外会受到扭谐振，当风流变化所带来的激振荷载强劲而又与该叶片的固有频率相同时，再加上极为重要的一点，即当叶片的设计和制造存在缺陷时。注意，此时这类扭谐振就是施予叶片的极端疲劳荷载。