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背景简介

风力涡轮机叶片中的宏观横向裂纹是发生在叶片后缘区域，沿着垂直于叶片纵向方向扩展的裂纹。这些裂纹是现场风力涡轮机叶片上最典型的损伤类型之一。当横向裂纹扩展到叶片后缘的过渡区域时，叶片的结构完整性会显著降低，因为损伤部位失去了原有的结构功能，这可能最终导致叶片的断裂。横向裂纹的形成和扩展受到多种复杂载荷事件的影响，包括动态载荷、疲劳载荷、阵风引起的过载以及极端风载荷。本研究侧重于当叶片承受极限静载荷时，尤其是由阵风引起的超载时，导致横向裂纹产生的失效机制。

这项研究使用有限元建模方法探究横向裂纹的形成和发展过程，以揭示横向开裂的机制。他们的目标包括了解裂纹萌生和失效特征的驱动力，以及研究设计策略以减轻宏观尺度的横向裂纹。这项研究基于先进的渐进式失效分析可以准确预测复合材料失效（纤维、基体主导的失效、分层）、泡沫破碎、粘合剂隧道裂纹等多种典型的失效模式，并研究它们之间的相互作用。这种综合分析对于理解现场观察到的故障现象和潜在故障机制至关重要。

总而言之，这项研究的重要性在于提供了关于风力涡轮机叶片中宏观横向裂纹的形成机制和失效特征的深入见解，有助于设计更可靠的复合材料叶片，并为减轻损伤提供基础知识。

成果介绍

（1）基于仿真结果研究了叶片截面在特定荷载和边界条件下的结构响应，确定了主要失效模式与导致特定失效特征的主要应变分量，并且详细地研究了失效后的特征。同时研究了载荷方向、泡沫芯材和粘合材料的材料特性对横向裂纹形成和扩展的影响，气动弹性模拟的设计弯矩载荷包络图如图1所示。

图1 设计叶片截面在不同载荷方向上的载荷范围。四个主要弯曲方向：压力侧到吸力侧（P2S）、吸力侧到压力侧（S2P）、后缘到前缘（T2L）和前缘到后缘（L2T）

图2显示了在270°加载条件下，以标准化形式施加的弯矩和旋转角度预测的整体结构响应。在结构经历线性弹性响应后，两块夹芯板开始出现弯曲变形。随着施加载荷的增加，泡沫芯材开始屈服，特别是在靠近后缘的区域发生了复合材料的失效。初始失效以分层和基体主导的方式在施加载荷达到峰值之前发生，而纤维主导的失效则发生在峰值后。复合材料的损伤在后峰值期内持续累积，其中横向裂纹从后缘向压力侧和吸入侧扩展。当横向裂纹发展到一定程度时，翼梁帽与夹芯板之间的过渡区出现纵向裂纹。后缘粘接层粘合材料在纤维主导破坏初期后的峰后状态形成隧道裂纹，裂纹在峰值期后继续扩展，最终导致结构失去大部分承载能力。

图2 预测叶片截面的整体结构响应（载荷方向：270°）

（2）从270°加载条件的模拟结果中提取了具有代表性的失效特征。纤维主导和基体主导的失效比开始时的分层稍微严重一些(图3i、图4i和图5i)。损伤区域首先沿纵向方向围绕后缘扩展。然后损伤区域向横向延伸，最终定位于夹芯板中的主要横向裂纹，导致所施加的载荷显著下降。

如图3所示，以纤维为主的破坏形式的横向裂纹从后缘扩展至压力侧的内复合材料层以及吸力侧的外复合材料层和内复合材料层。特别是吸力侧外部复合材料层中的横向裂纹朝翼梁帽和夹芯板之间的过渡区域扩展。当横向裂纹接近过渡区域时，纵向裂纹沿着相交处萌生。

从图4可以看出，基体损伤在接触区和后缘周围扩散，同时夹芯板内局部基体裂纹沿吸力侧横向形成和扩展。与内部复合材料相比，外部复合材料表现出更明显的基体主导失效。此外，预测过渡区纵向裂纹位于同侧。

分层形式的横向裂纹的扩展类似于纤维主导的模式，但裂纹仅萌生在压力侧的内复合材料层和吸力侧的外复合材料层中，如图5所示。具体而言，主要分层首先发生在顶面和底面复合层中，然后其余分层发生在中间层之间。虽然吸力侧的内部复合层中没有形成明显的横向裂纹，但过渡区的纵向裂纹出现在吸力侧的外部和内部复合层。这可能是由于后缘夹芯板中不同失效类型材料的相互作用造成。纵向裂纹的形成是所有失效事件的综合作用。此外，在上下夹层板的接触区域附近出现明显的纵向裂纹和损伤带。由于屈曲变形的不断增加，两块夹芯板开始相互接触。

图3 纤维失效后，在弯矩-转角曲线的三个标志点上显示出损伤状态

图4 基体破坏后，在弯矩-转角曲线上表现为图3中相同标记点处的损伤状态

图5 分层形式的后失效，显示了弯矩-旋转曲线中图3中相同标记点处的损坏状态

叶片部分泡沫芯失效的过程如图6所示。仿真结果表明，泡沫芯的屈服在施加荷载达到峰值之前就开始了，即在靠近后缘的峰值荷载水平的88%处。在峰后状态下，后缘和夹芯板都会发生明显的泡沫破碎。由于屈曲变形增加，初始屈服区域从后缘扩展到夹芯板。此外，由于后缘屈曲变形的进一步增加，在峰后后期，粘接接头出现隧道裂纹。

图6 泡沫芯材和粘合层失效后，显示图3中力矩-旋转曲线中相同标记点处的等效塑性应变分布。其中，粘合接头中存在隧道裂纹

为了进一步研究失效后的特性机制，研究了翼梁帽和夹层板之间过渡区域的应变分量。从图7中可以看出，应变分量的显着局部化发生在过渡区域。这是由于翼梁盖与夹层板之间的急剧变形过渡，因为翼梁盖具有比夹层板更高的刚度。通过比较应变分量，结果表明横向法向应变ε₂₂引起的横向拉力对纵向基体主导的破坏贡献最大，而剪应变ε₂₃引起的剪切导致内侧复合材料分层。图7还显示，由于夹芯板的刚度较低，与翼梁帽相比夹芯板会承受更大的弯曲变形，压力侧夹芯板和吸力侧夹层板之间发生表面接触。

图7 横向裂纹和纵向裂纹同时发生的位置处的横截面变形，以及翼梁帽层压板和夹芯板之间过渡区域的应变分量分布（为了更好地可视化层压板中的应变分布，泡沫芯层已被移除）

（3）并非所有模拟载荷工况都会导致叶片截面出现横向裂纹，仅当弯矩载荷分别施加在210°、240°、270°、300°和330°时才会出现横向裂纹。这是由于横向裂纹的形成是由叶片的屈曲行为所驱动，只有施加在这些角度上的弯矩载荷才会导致叶片后缘发生明显屈曲。图8显示了 M／M_{design load} = 1.4 时峰后状态下以纤维为主的失效形式的裂纹扩展状态，该图中仅显示了导致横向裂纹的加载条件。通过比较相同载荷水平下的损伤状态可以发现，裂纹萌生在210°和270°加载条件下时，后缘区域比其他加载条件下经历了更显著的屈曲变形和明显的横向变形，在吸力侧和压力侧都可以观察到裂纹，特别是在210°加载条件下，多处产生横向裂纹。这是由于后缘的多波屈曲形状导致应变分量定位在多个位置。在规定的荷载水平下，其余情况下未形成明显的横向裂缝。与210°和270°加载工况相比，其余加载工况中裂纹的发展相对缓慢。

图8 在( a ) 210°、( b ) 240°、( c ) 270°、( d ) 300°、( e ) 330°加载情况下，当M／M_{design load} = 1.4时，纤维发生破坏

（4）仿真结果还表明，将后缘板中的泡沫芯材改为更高的刚度材料可以减少后缘区域的屈曲变形，从而最终降低宏观尺度横向开裂的可能性。此外，还发现后缘胶粘接头的破坏发生在横向裂纹基本发育的后高峰期。因此，没有必要增加胶粘剂材料的力学性能来避免横向裂纹的形成（图9，图10）。