风机叶片在台风中结构破坏的分析

    关于疲劳损坏的原因是复杂的，但还是可以用最简单的想象把疲劳损坏看作为缘于极小裂纹的生长开始，这类失效的机制显然是因为叶片表面的极小的区域受到了局部集中应力的影响，这个局部集中应力又远大于粘接叶片翼后缘胶的粘合平均应力以及叶片蒙皮复合材料的平均应力。当这类较高的切应力反复作用时，就导致了极微裂痕的形成，这些极微裂痕又会进一步延伸至粘胶层内部和叶片蒙皮的相邻区域中去，最终导致粘胶和复合蒙皮强度的降低。宏观结果是上下蒙皮汇合处的后翼沿开裂以及叶片蒙皮断裂。叶片蒙皮的整体性刚度因此受到损坏（参见图1）。此外，这类复合材料较低的杨氏弹性模量和主梁、蒙皮间较差的胶粘接强度一同导致了蒙皮的鼓包断裂（见图2、3）。这类鼓包断裂在此次极端失效中起着相当的主导作用，同时应该指出的是本次破坏活动还有严重的二次破坏现象（见图4、5）。注意，扭谐振是关于叶片主梁对称的，这可以用来解释为什么大多数叶片的损坏发生在翼的上下两侧的原因。
    至于每台受损风机为什么只有一只叶片遭到破坏的原因是以下三个因素同时作用的结果：
    1、风机叶片的固有频率（叶片的谐振方向）；
    2、风湍流的激振（风的变化方向）；
    3、 叶片的位置使其自身的谐振方向与来风的谐振方向一致。
    对于最后一个条件一旦某叶片恰好占据了恰当的位置，那么另外两个叶片便没有可能在这360°范围拥有同一位置了。总的来讲，恰当的材料刚性、恰当的时间以及恰当的位置，决定了只能有一个叶片受损。
    到目前为止，我们得出结论，台风“杜鹃”在复杂地形区域/丘陵地带中所带来的风湍流激起了处于恰当位置的那一叶片的扭谐振是叶片损坏的决定性原因之一。另一方面，自叶片蒙皮几何结构的损坏起，叶片的空气动力学功能便随之丧失。进一步来讲，风机的运行功能也因此不复存在。同时还注意到，在风机设计过程中来自于运行态和非运行态的疲劳荷载都是至关重要的。
    为了定性地探讨，扭矩荷载下的变形，断裂和断裂的相关位置，作者特别制作了一个小比例纸制叶片，其中有一中空塑料主梁。该纸制叶片也曾于一贯流风机产生的风场之中，以探讨其振动和失效的演变（参见图6、7）。这两个实验都是概念性模拟并对此次失效分析的研究有着一定的帮助。
    5 关注与讨论
    我们知道，刚性——重量比决定叶片的固有频率，因此叶片设计的最重要的目标之一就是去避开谐振，也就是除去施予风机叶片上的极端疲劳荷载。因此在这种情形下，扭转刚度的改善应该集中在以下几个方面：
    1、主梁结构：尤其是在接近于叶根处的大面积中空和叶片上半部的刚性的处理（见图4、9）。