风力机叶片及材料的判定
有关风力机叶片设计和试验的IEC标准是IEC61400-1（2005）和IEC61400-23（2001）。这些标准涵盖了叶片的一般设计要求和型式试验。下面几节叙述了这些标准的使用和进一步发展中的几个关键问题。
2 IEC61400-1：设计要求
IEC61400-1（2005）标准涵盖了完整的风力机设计载荷。该设计载荷分为两组：极限载荷和疲劳载荷。详细说明了这两种载荷是利用气弹性模拟方法来动态模拟风力机不同情景的响应。
极限载荷和疲劳载荷依赖于风力机控制和安全系统的输入，模拟该系统是气弹模拟的一个重要部分。
叶片中弯矩所用的局部参考坐标系统一般沿该叶片的弦线设立。因此，摆振方向的弯矩导致前缘和后缘产生应变，挥舞方向的弯矩导致叶片上面和下面产生应变。图1和图2阐明了一个兆瓦级以上的风力机在湍风流中运行中，其叶片根端处挥舞方向和摆振方向弯矩的动态模拟。
IEC61400-1（2005）定义一套环境条件，称为风分布。每套条件包括一个50年一遇的极限风速、风速的频率分布和参考湍流。IEC61400-1（2005）标准仅对风力机等级规定了极限温度，没有详述温度和气弹响应所产生载荷这两者的综合作用。
采用对样机的载荷测量作为针对该机模拟极限和疲劳载荷的校核。IEC61400-13（2001）是载荷测量的一个技术规范，也是IEC61400系列标准的一部分。
IEC61400-1中的结构安全要求是以土木工程结构设计中所用的分项安全系数这一传统格式来规定。在一个通用的基础上规定该要求，并允许钢设计标准用于细节设计。
对于复合材料结构的细节设计，IEC61400-1(2005)的应用程度是非常有限的。其次，IEC61400-1中针对复合材料的要求已由一个用于风力机叶片设计和制造的DNV标准草案来提供解释。[-page-]
2.1 针对极限载荷的设计
对于简单的静态结构，如烟囱，其极限载荷和该结构对极限风速的响应有关系。当计算其设计载荷时，典型的50年或100年一遇狂风作为特征值用于参考。对于烟囱，其他极限载荷比如因涡旋脱落而形成载荷，可以通过添加简单的气动装置涡旋扰流器来避开。
当确定简单结构上的极限载荷时，要直接把空气密度对载荷的影响考虑进去。根据所测风速和针对所测温度及压力的空气密度，计算风压。风压通过统计处理，推出50年超限值，50年风速从50年压力在一个参考空气压力和温度下确定。
对于风力机，极限风速不是唯一的重要载荷工况。其他重要的载荷工况包括在风流中带高度湍流运行和叶轮紧急刹车，叶片要突然转向，且弦线取向平行于叶轮轴。对于风力机，在控制或安全系统带误差的条件是计算极限载荷的基础。这样的情况可以刹车，叶片不会错误地转向。用两个叶片刹车将使叶轮上气动不平衡，造成大的载荷。
至于简单结构，空气密度对带有先进控制和安全系统的风力机载荷的影响不能用一个对风速的简单修正来确定。IEC61400-1对于该影响详述。相反，它规定针对风力机组的所有载荷引用1.225kg/m³的空气密度。
风力机叶片上的载荷过去根据简单的梁理论，被转化为叶片中的应变。对于近兆瓦级叶片的设计，叶片结构中的组成部分更纤细。这意味着叶片横截面在承受载荷时要变形。而且，由于初的屈曲，对缺陷有一个重大的应变敏感性。正因如此，有限元分析经常被用于计算叶片针对设计载荷的应变。
对一个风力机叶片，有两类极端事件：材料强度被超越以及叶片扰度很大使叶片碰到塔架。这意味着层合板的刚度和强度对结构安全都很重要。此外，由于使用了众多材料品种（如碳纤维增强塑料（CFRP）、玻璃纤维增强塑料（GRP）、巴萨芯材和钢质螺栓），必须很好地理解各种不同材料的刚度以及界面强度，确保整个结构中可控的载荷转移。
针对叶片设计的层合板性能测量近在一个联合工业项目OPTIMAT中已被仔细地检查。OPTIMAT项目包括对几种层合板的材料刚度及强度进行详细测试，这些层合板用GFRP和一种特殊环氧树脂系统制备。详细情况请查阅Janssen，Wingerde等人在2006年发表的相关文献。
Wedel-Heinen，Tadich等回顾了OPTIMAT项目中研究内容，指出针对标准和指南的相关问题。有关试样刚度和极限强度测量的重要意见是：
（1）强度和纤维体积比紧密相关。在确定极限强度特征值之前，试验结果应针对纤维体积比进行修正。
（2）用于叶片材料刚度试验的试样几何尺寸不是一个关键问题，只要应变监控是根据安装在试样两面的应变片来对试验装置中的弯曲进行修正。
（3）拉伸和压缩试验中的试样外形不是非常重要，只要能避免压缩试验中试样屈曲，即通过充分的刚度设计防止屈曲。建议在材料判定项目开始时确定试验的全部范围（包括疲劳试验），使不同试验的试样和试验装置的数量尽可能少，只要能保证不同试验系列之间试验结果可进行有意义的对比即可。
（4）应研究潮湿和温度对材料的影响，作为复合材料判定的一部分。这些影响可能导致强度的急剧下降，特别是压缩中和载荷横穿过纤维时，在该场合树脂及树脂和纤维的界面强度较为重要。
2.2 疲劳设计
风力机的疲劳载荷是在运行间隔中10个不同的风速下从响应的10分钟模拟计算。风力机一般是4-25m/s范围内运行。在频率短暂事件中（如启动和停止）的载荷也被包括进去。
雨流计数法被用于不连续载荷周期中对单个载荷部件安排连续历史。每个载荷周期被一个平均值和一个载荷幅度来表示。对一个风力机20年寿命期的指定风速分布，10分钟模拟中的周期次数根据每个风速间隔的小时数来计量。
载荷周期是对风力机20年寿命期的总结。其结果以Markov矩阵表示，它包含针对宽度和平均载荷定义的每个指定载荷间隔的载荷周期次数。雨流计数法详细细节请见DNV/Riso(2002)。
叶片材料的代表性疲劳强度一般是通过等幅试样试验来确立。复合材料的疲劳寿命依赖于平均应力和应力宽度。正常情况下，疲劳强度的试验系列是按照试样在载荷周期中小应力和大应力之间不同比例来进行试验。该比例被称为R值。
对每个R值，通过在不同的应力幅度处测试，可以建立起应力幅度（S）对周期至失效的次数(N)的图。疲劳性能因而通过S-N平均曲线和分布来表征。一般而言，S-N数据表示一种线性关系，如图3所示，logS对logN作图。
用于设计的特征S-N曲线按照95%的生存概率和95%的可信度制作。请见DNV（2006）。
对于运行中风力机叶片，其典型的R值依赖于位置，请见图1和图2。对于叶片的迎风面，拉伸应力占主导，背风面是压缩应力占优势。前、后缘与面相比，平均载荷不占优势。
为了用图表示以R值和应力幅度为函数的特征疲劳寿命，画出等寿命图。等寿命图被用于内插R值，它们不是试样试验的一部分。图4和图5展示OPTIMAT项目中用于单向（UD）层合板的等寿命图。图4指试样试验，其载荷施加于纤维方向，图5指横向施加于纤维方向的载荷。[-page-]
Miners规则假设所有的应力周期引起相同的损伤增长，并且当累积损伤超过一定的值，就发生疲劳破坏。采用Miners规则，等寿命图可用于图示一个应力周期中部分损伤。
用Markov矩阵作为设计寿命期内载荷周期的图示，用等寿命图作为应力循环的部分损伤的图示，根据Miners规则通过简单累加设计寿命期内的损伤即可计算出设计寿命期内的累积疲劳损伤。参考文献见DNV/Riso(2002)。
从上述介绍中，行业中普遍所采用的疲劳设计方法和初建立用于钢结构的方法相似。它包括3种基本组成部分：
（1）雨流计数法
（2）采用等寿命图计算部分损伤，该图是以试样的等幅试验为基础发展起来
（3）作为两个独立的问题涵盖极限疲劳强度，并且根据疲劳损伤累积，采用Miners规则，计算疲劳破坏
本方法中有几个假设。这些假设在计算极限强度和疲劳强度时，将导致一种模型上的不确定性。其中一些假设受到新OPTIMAT研究项目的详细研究挑战。
（1）等幅试验被不同幅度的试验所取代
（2）研究了疲劳中的极限强度对损伤累积的敏感性
（3）研究了不同R值的试验相关性
单靠OPTIMAT研究较难确立模型不确定性的精确值。对于损伤积累的模型改良后可以降低部分安全因素，导致优化设计基础的改善。
可以得出结论：对于带有SN图和等寿命图线性的疲劳寿命，引入大量的模型不确定性是非常容易的。在R值和应力宽度值下测试试样很重要，它们对计算叶片结构的疲劳寿命较为关键。
除了OPTIMAT研究项目中研究的问题外，上述过程假设试样强度代表复合材料结构中的层合板强度。DNV拥有在本领域中叶片破坏的经验，它建议制造缺点和缺陷对强度也是非常重要的，这是我们下面几节将要反复谈到的。
3 IEC61400-23―叶片试验
IEC61400-23文件包含全尺寸叶片试验的细节。要注意IEC61400-23现在作为一个技术规范正式发布，并且正被转化为一个标准。
全尺寸叶片试验的基本目的是以一个确定的合理水平证明当一个叶片型号按照规定的规范制造，它就拥有设计中预期的强度和使用寿命。
全尺寸叶片试验一般是在片试样叶片上进行。IEC61400-23要求进行静态和动态（疲劳）试验。
3.1 针对极限载荷的静态试验
通常，风力机叶片的极限载荷不能只归因于一个事件，并且由于叶片响应的动态特性使它们不同于外部载荷。沿叶片轴的极限载荷被作为整个寿命期内响应中的内部载荷的一个包络。
静态试验通过把叶根固定，用吊架中吊索牵拉叶片来进行。由于一个叶片外形是非对称的，试验要以4个方向进行。
试验载荷是特征极限载荷根据IEC61400-1乘以用于载荷的局部安全系数以及试验因子，后者可用于解释试验叶片可能不一定代表所有叶片的低强度和实验条件（包括温度和湿度）可能不一定比实际在风力机中安装的叶片所处环境条件更苛刻。试验载荷原则上根据其失效的结果进行调整，但是IEC61400-1中针对极限强度的载荷因子根据失效因子的一个结果进行校准。具体的细节请参考IEC61400-23（2001）。[-page-]
3.2 针对疲劳载荷的动态试验
动态试验的疲劳载荷不能直接从使用期内的内部载荷发展而来，因为这将要求试验持续进行几十年。为了实践的理性，进行一系列等幅试验更加容易。
基于雨点计数、等寿命图和Miners规则的疲劳损伤累积规则被用于把设计载荷转化为试验载荷。正如静态试验，动态试验也采用针对叶片强度变化的因子、对试验室环境的修正和对失效结果的损失因子。详情见IEC61400-23（2001）。
对设计载荷，试验应尽可能具有代表性。这意味着针对试验载荷的循环次数不能太少，叶片好应预先承载，使之有平均载荷，其等级和运行中的叶片相同。正常情况下，挥舞方向和摆振方向的循环次数是1-1千万次之间。
实际上，动态试验通过使用连接在叶片上的一个转动激发器或液压激振器来附加质量和激发叶片阶特征模态。
现在IEC61400-23没有规定叶片上单个静态试验和疲劳试验的次序。因为在IEC61400-1极限强度和疲劳强度被认为是两个独立的问题。这意味着由于极限载荷和疲劳载荷引起的综合损伤生长的损伤可能不一定被该型式试验涵盖。这对建模不确定性所起的作用对于复合材料结构而言可能较为关键。作者建议在叶片疲劳试验前后分别进行静态试验，谨慎地考虑由于极限载荷和疲劳载荷引起的综合损伤积累。
强调进行疲劳试验是为了减小整个建模不确定性，这较为重要，这种不确定性会导致叶片强度不够。但是，设计和试验是建立于雨流计数、来自于试样等幅试验的等寿命图以及Miners规则。因此，型式试验不能涵盖疲劳强度分析中所有对建模不确定性所起的作用。
4 针对IEC61400标准未来发展的挑战
已提到过IEC61400-1（2005）和IEC61400-23（2001）很大程度上是建立在用于钢结构的共有的设计方法上。要注意一下两个问题：
（1）温度影响不是风力机承载钢结构明细载荷或者阻力计算的一部分。固化过程中热感应应变和应力对风力机零部件较为重要。目前，这些应变和应力被固化中的主动加温和冷却系统所控制。
（2）结构安全的格式是基于在载荷和基本材料强度中可变性的合理评估（即能在试样上测出的强度）。缺陷和缺点的可变性被假设为基本材料强度的一部分。这意味着它们应采用标准化程序进行归类和控制。
高温下结构性能的不同和尺寸差异以及缺陷复杂性使对复合材料结构应用上述方法变得复杂。我们将用三个例子进行阐述。
4.1 例1：高温下的复合材料
材料购买和风力机叶片制造对叶片设计有重要的限制。一个限制是对热固性树脂和胶、要求的玻璃化转变温度应尽可能得低。低玻离化转变温度将给更多满足叶片要求的替代供应商和产品以机会，并且可以缩短固化周期，降低高温固化的要求。缩短固化周期和降低温度是加速车间内产品生产流程的必要手段。
在OPTIMAT项目中，环氧玻璃钢层合板试样测试在室温和60℃下进行，后者比IEC61400-1标准风力机级别的极限温度50℃略微升高。Mengis、Brondsted和Eriksen（2005）报道在60℃所测的拉伸和压缩强度比相应的室温所测数值下降6%和44%。
用于OPTIMAT测试的试样其中位玻璃化转变温度范围是65-78℃，环氧系统是典型的用于风力机叶片制造的灌注系统。
风力机叶片的铺层包括薄积层和厚积层，这些积层用相同工艺固化。在放热固化过程中积层的温度历史将依赖于积层厚度。这特别是针对不加热模具的情况。对固化后叶片的玻璃化转变温度的控制通常是叶片车间中一项重要的质量控制措施。
从OPTIMAT项目来看，可以得出结论高温下的载荷和阻力对叶片极限强度非常关键。IEC61400-1没有规定怎样计算和高温有关的设计载荷，没有规定特征强度参照哪个温度区间。相反，该标准规定空气密度对所有类型种类的载荷工况都是1.225kg/m3。
从一种分析观点来看，温度对空气密度的影响是直接的，更小的空气密度对载荷的影响也能通过气弹分析的简单敏感性研究来计算。
但是，为了形成合理的风力机种类的定义，一个合理解决问题的方法，如室温和太阳辐射加热相结合的方法，高温和极限风速及其他较少发生的载荷工况的关系，应是该标准内容的一部分。
4.2 例2：热感应应变
在过去5年中，碳纤维增强塑料（CFRP）被越来越多地用于商业风力机叶片中。实验室所测试的单向CFRP层合板一般拉伸强度在1500MPa数量级，压缩强度在1000MPa数量级。
CFRP增强叶片设计的复杂部分是应力在根端连接处从CFRP转移到钢制衬套上。一个简单的方法是在CFRP和钢制衬套之间引进一个传统的GRP过渡层。叶片的进一步优化可能要求CFRP和钢材是连接在一起的。连接CFRP和其他材料的关键问题是热感应应变，它产生于不同的热膨胀系数。图6显示一个简单的CFRP和钢接头相连接的例子。
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表1是固化后对热感应应变的一个简单评估。假定钢接头的横截面积弊CFRP大得多。此外，假定钢接头和CFRP层合板的粘接是在120℃固化，固化后接头冷却至-30℃。当叶片离开车间，并在外面存放时，这样的冷却会发生的。
由于设计采用局部安全系数，钢-CFRP界面采用拆卸因子，接头处针对强度的大许可压缩应力在500MPa范围内。
从表1中的应力值可以清楚地看到热感应应力和风力机因气弹响应而引起的应力具有相同的数量级。在钢和CFRP零部件端头防止大的应力集中就要求仔细设计锥体形式等。要注意简单的粗化将在界面处减少气弹应变，但不会减少热应变。
对不同材料形成的复杂的复合材料接头，在设计标准中需要进一步的规范，更好地明确对设计的热感应响应以及在极限和疲劳载荷共同作用下的热和气弹的综合响应。不同材料还受到腐蚀，这必须在设计中考虑进去，把两种材料隔离或保护该接头防潮。
4.3 例3：缺陷和瑕疵
对钢结构件，结构设计代码中的传统安全格式被集中于载荷和材料阻力中的可变性上。强度中的可变性指试样试验。图7来自于DNV/Riso(2002),阐述了该格式的背景。针对载荷Lc和阻力Rc的特征值是指在频率分布中确定的生存概率。
设计许用值被规定为Lc和Rc之间的许用余量。该余量依赖于失效的结果核载荷和阻力频率分布的尾部形状。在IEC61400-1中，规定许用余量以涵盖载荷、阻力和失效结果的局部安全系数为形式。
对于复合材料，其试样水平上的强度可变性和载荷可变性不足以象钢结构一样涵盖结构可靠性。复合材料中有缺陷和瑕疵，其尺寸和复杂性一般不能用试样试验来代表。除了载荷和试样强度，需要把缺陷和瑕疵作为随机参数考虑进去。图8显示一片小型玻璃钢叶片，使用一段时间后，表面有大的裂缝。对裂缝横切可以看到层合板中有一个大皱折。很明显缺陷缺陷控制局部强度。[-page-]
缺陷和瑕疵的可变性对每种材料及每种制造方法而言都是特定的。这意味着叶片制造商对允许的缺陷和瑕疵必须有单独的措施。适合于复合材料层合板的无损检测（NDT）方法仍在成熟发展之中，这使得实施合理的质量控制程序变得复杂。在风力机设计中考虑缺陷的一个著名例子是层合板中的皱折，Brondsted等人讨论了这个问题。
在把缺陷和瑕疵包含进设计和试验标准中时，步将要求试验叶片包括在关键位置具有代表性的差的缺陷，而不是包括在试验载荷中叶片对叶片的不同因素。这样的缺陷还应涵盖车间中用于除去制造中错误的一般性修补以及典型的现场修补。
另一步骤是规定一些要求，用来校核缺陷和损伤增长至力学断裂。目前IEC61400-1中的安全因子形式不是为此目的。
5 结论
IEC61400系列标准规定了材料判定和风力机叶片试验的程序。该程序是基于已确立的用于钢结构的设计方法理论。该方法理论有以下四个方面的特征。
（1）通过试样试验来评估材料的极限强度
（2）随机载荷历史的雨流计数
（3）等寿命图作为大量载荷循环后部分损伤的图示
（4）Miners规则用于损伤生长和疲劳失效
进行型式试验以避免导致设计中重大建模不确定性的严重误差。由于上述四个问题还被用于推导疲劳中的试验载荷，因此不是所有的建模不确定性可以在型式试验中被评估。
IEC61400-1（2005）和IEC61400-23（2001）中现有的程序可能对未来复合材料先进风力机叶片的优化设计还不充分。这用三个例子阐述。它们得出结论改进这些标准的初始步骤是：
（1）在IEC61400-1标准中，对于设计载荷工况，应更详细地规定温度，好还包括其他室温条件。
（2）在材料判定、风力机叶片设计和试验中，应更多地关注允许的缺陷和瑕疵。IEC61400-1中应包含一个合理的方法。
（3）IEC61400-23标准应要求试验叶片包括制造缺陷和瑕疵的坏情况。
（4）一个叶片的型式试验应先进行静态试验，然后疲劳试验，后再进行静态试验，来谨慎地处理针对极限载荷和疲劳载荷的综合损伤增长。
作者认为由于风力机行业内对标准化的协同努力，先前的经验已具有相当前景，在联合工业项目如UPWIND项目中的研究改进了设计要求。
