基于形貌分析的风机叶片复合材料损伤演化机理及疲劳寿命预测方法研究

The fatigue crack, damage, and fracture of wind turbine blade have great influence on the efficiency of wind power generation, as well as fatigue life. Considering the special natural environment in Xinjiang Province, the failure mechanism caused by fatigue and corrosion of wind turbine blades are investigated based on multi-disciplinary, e.g., material science, theoretical mechanics, and intelligent computation. The SICM-SECM scanning electron microscope is used to gain three-dimensional microstructure and electrochemical distribution characteristics of the blade composite materials. Combined with multi-objective optimization algorithm of manifold learning，the relationship between the fatigue damage characteristic of the blade and mechanical parameters are established. The stress characteristics of the blade in microscopic field are analyzed, and the fatigue damage mechanisms under complex wind loads are investigated. Consequently, fatigue life prediction model is proposed based on macro-microscopic field. The blade corrosion failure model will be established based on the distribution of space electrochemistry, then the influence of environmental chemical conditions on the corrosion failure is investigated in this project. The research achievements will provide fundamental data and model for fatigue strength evaluation and fatigue life prediction of the wind turbine blades under environmental loads, and will be significant for material design and structure optimization of the wind turbine blades, and for the improvement of its reliability and safety in operation.

叶片疲劳破坏、断裂直接影响风力发电机组的效率和寿命。针对新疆特殊的自然环境叶片失效机理问题，项目综合运用材料科学，力学，智能计算多学科交叉理论，以风机叶片疲劳损伤扩展过程为研究基点，采用SICM-SECM扫描电镜，获取叶片复合材料纳米微观三维几何结构和电化学分布特性；通过微观三维几何结构特征和环境特征的提取，实现损伤特征与力学关系的映射；研究建立细观尺度应力场，探索复杂加载下损伤演化规律，提出环境因素下基于宏细观一体结合组分失效机理的复合材料疲劳强度和寿命预测方法。通过以上研究，建立叶片复合材料失效的力学模型和裂纹发展模式；获取化学介质下叶片的腐蚀-失效模型；有效集合以上两个模型实现叶片疲劳可靠性寿命预测。研究成果将为叶片材料设计、结构设计、强度与疲劳寿命预测提供基础和依据，提高叶片复合材料强度设计理论的可靠性及服役时的安全性。

新疆风力资源丰富，风电场建设处于高速发展阶段，大规模风场的健康运维需求巨大。叶片疲劳破坏、断裂直接影响风力发电机组的效率和寿命，同时新疆独特的气候特点使叶片的损伤与疲劳更为复杂。本项目通过实验对玻纤增强环氧乙烯基酯树脂（GF/EVE）和玻纤增强不饱和聚酯树脂（GF/UP）复合材料的多轴向铺层设计试件进行低速冲击、拉伸、弯曲和剪切破坏性力学试验。对比了不同铺层参数GF/EVE和GF/UP复合材料力学性能，得出GF/EVE层合板弯曲、拉伸、剪切以及冲击韧性均优于GF/UP，拉伸破坏表现为：爆裂型、层间剪切型、综合型；弯曲破坏为压溃型、层间剪切型、复合型；低速冲击失效模式呈现分层剥离。分析了复杂服役环境(温度、紫外、腐蚀、冲蚀）下复合材料在冲击、拉伸和弯曲载荷下的损伤行为及失效模式，并基于多种表征方法对复合材料的微观界面脱粘机理及损伤演化行为进行阐释。在不同温度载荷下，GF/EVE拉伸强度、弯曲强度下降率小于GF/UP，GF/EVE抗高温老化性优于GF/UP；室温下GF/EVE在低能量冲击下拉伸、弯曲强度分别下降了37.52%和37.56%，在120℃环境下试样所承受的最大载荷分别下降了13.5%和15.4%，热氧的作用下，树脂热氧老化降解，树脂和纤维之间应力应变增大发生脱粘，试样内部结构遭到破坏；紫外、碱腐蚀以及碱-紫外循环老化下，GF/EVE经历光氧老化降解，吸湿增塑，腐蚀降解微结构劣化导致损伤演变。结合实验结果通过微观几何结构特征的提取建立材料代表性体积单元（RVE）损伤模型，通过数值模拟对损伤模型进行了验证，得到了细观尺度纤维增强复合材料受到拉伸载荷作用下界面裂纹的生成、扩展以及最终引起基体损伤的演化过程，并对20~80℃周期性温度变化下其力学响应情况作了分析。结合有限元分析法，建立了风机叶片宏观结构与细观组分之间的关联模型，并通过对纤维增强复合材料风机叶片的宏观结构进行了宏细观一体化有限元分析，完成叶片复合材料失效的力学模型和裂纹发展模式的建立，实现了纤维增强复合材料风机叶片失效行为的预测。