从风电叶片的疲劳退化看叶片结构健康监测方案

随着时间的推移，中国陆上风电市场已逐渐进入后市场阶段，第一批次大量装机的1MW~1.5MW风机已进入10+年运行周期。对于叶片而言，疲劳损伤的累积及由此带来的叶片结构性能改变越来越受到关注。随着人工智能技术的不断发展，风电场管理者，主机厂家开始越来越重视通过在线结构健康/状态监测的手段来监控风机各个核心部件的运行状态。叶片作为旋转的核心部件，同时因其材料和结构的特殊性，为针对它的结构健康/状态监测带来了一定的难度。叶片常年累月地在恶劣环境中运行，经历着风、雨、高低温、日照及雷电的多重考验，作为其主要结构——复合材料结构在遭受这些考验后，到底会经历什么样的性能降低，哪些参数可以作为结构健康/状态监测的核心指标，也许一直困扰着不少风电人，本文的讨论希望能给读者带来一定的思路。

除叶片结构健康监测外，了解风电叶片疲劳退化过程，对于平衡损伤后维修成本和电量损伤也具有一定的指导意义。

本文通过加速疲劳测试的手段，细致监测和分析了复合材料叶片结构在疲劳损伤累积的过程中所经历的结构性能退化过程。文中研究和讨论了疲劳引起的弯曲刚度、固有频率和阻尼比的变化。

1 材料水平的疲劳退化规律

风电叶片在20~25年的目标使用寿命周期内，将承受大量的载荷循环，通常高达10亿次。复合材料叶片的结构性能会随着时间的推移而退化。截止目前已经进行了大量的材料试验，如蒙大拿州立大学(MSU)数据库项目和OPTIMAT blade项目的报告，以表征复合材料在材料水平上的疲劳退化。如图1所示，复合材料疲劳退化的总趋势可分为三个阶段，其中D常作为描述刚度损失的损伤变量，E和E0分别为损伤模量和未损伤模量。通常定义D = 1 - E/E0关系来建立残余刚度模型。由于基体开裂，疲劳退化在开始阶段发展较快；中间阶段由于基体开裂和纤维脱粘耦合在一起发生而变成一个逐渐的线性发展的过程；而到了第三个阶段，也就是寿命快结束的阶段，由于纤维断裂，这个阶段又变成一个快速发展的过程。

此前并不清楚复合材料叶片的结构性能是否会以与材料试验中观察到的类似的方式退化。本文通过对一个全尺寸风电叶片在200万次循环的疲劳载荷下结构退化的实验观测，测量了弯曲刚度、固有频率和阻尼比的变化。测试完成后检查了叶片的结构损伤情况，并与材料试验结果进行了对比分析。

图1 材料水平的复合材料疲劳损伤刚度退化示意图

2    实验情况

试验采用一支长47米的2 MW风机叶片。典型截面处的结构和材料铺层如图2所示。主梁采用单向织物层合板，主要提供叶片的整体刚度和承载能力，三轴织物层合板构成了叶片的内、外蒙皮。蒙皮芯材采用轻木，腹板芯材采用PVC板材。

实验叶片是新生产的叶片，已按IEC 61400-23试验标准进行静载试验。试验数据表明，叶片对静载荷的响应呈线性关系，静载试验后无损伤。随后，叶片在背风面面朝向地面的姿态下进行疲劳试验。叶片在距叶根39.5 m处受偏心质量驱动的电机激励。在此位置还安装了配重质量，以达到疲劳试验时叶片的目标试验弯矩。以距离叶根22米处的叶片横截面作为控制截面，通过调整配重质量、电机的偏心质量和每分钟转数(rpm)来匹配所需的应变水平。叶片本体不同区域安装了应变片。测试设置如图3所示。

通过等损伤的方法增加疲劳载荷，将循环次数减少到200万次，以加速疲劳测试过程。实验过程中的叶片弯曲刚度变化监测方法，是每隔40%循环次数停止实验进行一次刚度测试，即， 0次,50万次, 100万次, 150万次和200万次，一共5个阶段。通过在39.5m处施加一个拉力P，同时采用拉线位移传感器在19米,28米和39.5米位置测量叶片位移δ的方式进行刚度监测。在三个截面位置分别采用P /δ计算弯曲刚度。每个阶段，均对三个位置的位移进行测量并计算弯曲刚度。

将配重质量、电机、偏心质量、安装底座等仪器从叶片上取下后，测量叶片试验前、后的固有频率和阻尼比。在距叶根19 m、29 m、39.5 m三个叶片截面处，将加速度传感器布置在迎、背风两个面的主梁中心，叶片前缘、后缘位置上，并额外在靠近叶尖处再粘贴一个加速度传感器，如图3所示。利用在叶尖施加拉力并突然松开的方式使叶片产生自由振动。一共测量5次。

所有测试均在被过的测试实验室进行。在每次测量叶片弯曲刚度之前，都要记录下实验室的温度。在0次,50万次, 100万次, 150万次和200万次循环时，分别为17.2℃、16.5℃、18.8℃、17.5℃和15.9℃。测试中使用的所有传感器均由认可的第三方校准。测试已由机构见证。

 图2 距离叶根22m的典型叶片截面

图3 测试相关设置示意图

3    变形与应变分析

将叶片在39.5 m截面静载荷作用下，疲劳试验前的挠度和应变测量值，与有限元分析(FEA)结果进行了比较。实验结果与数值结果对比如图4所示，其中应变为沿叶片长度方向的应变。结果表明，20 ~ 32 m的叶片跨度是主梁受力最严重的区域。叶片长度方向应变云纹分布如图5所示。

图4 39.5m截面位置加载时叶片变形及主梁上展向（叶片长度）方向的应变示意图

图5 展向应变云纹图

4    实验结果与讨论

叶片在不同疲劳循环次数下的弯曲刚度如图6所示，其中平均值为柱状，标准差为线状误差条。可以看出，在疲劳试验过程中，叶片截面0 ~ 19m区间的整体抗弯刚度没有明显退化。而叶片0 ~ 28m和0 ~ 39.5 m区间的整体抗弯刚度有明显的退化趋势。这一趋势也与复合材料中观察到的趋势非常相似，在早期阶段是快的，在接下来的阶段是慢的。可以推测在多轴织物层合板中基体开裂，即，三轴和双轴织物层合板在疲劳开始时发生并迅速扩展。这些多轴织物层合板的基体裂纹密度可能进入饱和阶段，同时单轴织物层合板承受主要荷载，导致随后刚度逐渐退化。值得注意的是，由于主梁中0度方向纤维比其他方向数量多，整体刚度退化很小，如图2所示。在0 ~ 28m区间和0 ~ 39.5 m区间，总刚度分别下降了2.2%和0.7%。

200万次循环疲劳后的固有频率变化如表1所示，同时也给出了由有限元模型计算的固有频率。每个实验值是五次测量值的平均值。可以看出，在五种不同的振动模式下，疲劳引起的固有频率变化可以忽略不计。这一观察结果是合理的，因为在叶片总质量不变的情况下，叶片刚度只有大约1 - 2%的变化。固有频率，原则上是刚度除以质量的平方根，将会改变到一个太小而无法被注意到的程度。还注意到，只有图1所示的前两个退化阶段被观察到。最后阶段的刚度快速下降并没有出现在这支叶片的测试过程中，这表明该叶片可能仍然具有较长的疲劳寿命，可能有足够的剩余结构强度。这一假设在一定程度上可以从疲劳后结构破坏试验中得到证实：后静力测试时，这支叶片仍能够承受140%的标准试验载荷。

另一方面，阻尼比的变化非常明显，如图7所示，其中5个测量值的平均值用柱状图表示，标准差用误差线表示。两种振型的阻尼比可提高20%左右。两个摆振模态阻尼比的变化(如果有的话)在测量值的离散范围内。这可以认为是合理的，因为本次疲劳载荷主要在挥舞方向。在所有的振动模态中，扭转模态对阻尼比的影响最大。这一观察结果可能表明叶片壳体周围三轴织物层合板的微裂纹损伤发展相当大，当叶片在扭转模式下振动时，能量耗散增加。

疲劳试验后进行试验后检查。在叶片上发现了一些结构损伤。如图8所示，这些损伤包括夹心结构区域发白、芯材产生裂纹以及根部过渡区蒙皮复合材料的纤维断裂。这些损伤是非常局部的，可以认为是非常小，不会影响叶片的整体结构强度。

图6 疲劳测试过程中抗弯刚度退化情况

表1 疲劳测试后叶片频率变化情况

图7 疲劳测试后阻尼比变化情况

图8 疲劳测试后叶片损伤情况检查

5    结论

本文的实验观测表明，对于没有明显质量缺陷的全尺寸叶片，在疲劳寿命的初始阶段和中期表现出与复合材料相似的刚度退化趋势。疲劳引起的固有频率变化可以忽略不计(< 1%)。然而，阻尼比的变化在挥舞弯曲模式和扭转模式是显著的。阻尼比比叶片刚度更能反映复合材料风电叶片的整体疲劳损伤。扭转模态阻尼比的显著提高可能是由于叶片蒙皮中使用的多轴纤维复合材料和夹芯材料的疲劳损伤所致。局部损伤的存在不能通过整体结构性质的变化来反映。由于疲劳退化与试样结构及其应变水平有关，本研究的实验观测结果可能只适用于设计和整体应变水平相似的叶片。

因此，编者认为风场在运叶片的结构健康/状态监测指标可主要参考挥舞、摆阵、扭转的阻尼比变化趋势，通过阻尼比变化速率，可了解叶片结构所处的损伤阶段，从而用以指导选择合适的维修时间点；同时，局部损伤导致的结构特性虽不能及时反应到整体结构特性上，但针对性的对已知特定区域进行监测，也是有意义的；对于挥舞、摆阵和扭转结构退化情况监测，分别在前、后缘、主梁中心针对性的选择典型截面作为监测目标点，本文也有较好的指导意义。在传感器类别选择上，可结合风场雷暴水平灵活选择光纤类或电信号类加速度传感器。

本期原始文献：

Xiao Chen,Departmentof Wind Energy, Technical University of Denmark, Experimental observation offatigue degradation in a composite wind
turbine blade.