隨著風電機組不斷向大型化發(fā)展，復合材料葉片的破壞評估與失效預測成為其結構極限性能研究中的重點和難點。迄今為止，對大型葉片的破壞研究大多局限于二維殼體單元的有限元數值分析；在國內外公開報道的全尺度葉片破壞試驗研究中，被測葉片的長度尚未超過40米，且葉片結構的破壞模式相對簡單。 

　　為了分析大型風電葉片結構在極限工作狀態(tài)下的破壞性能，中國科學院工程熱物理研究所研究人員針對一款長度為52.3米的葉片進行了復雜載荷歷程下的全尺度破壞試驗(見圖1)。研究人員對葉片過渡段的復雜破壞特征進行了分析，闡明了三維應力狀態(tài)下大型風電葉片結構的復雜破壞失效模式。 

　　為進一步揭示該款大型葉片的破壞機理，研究人員建立了一種整體二維、局部三維的有限元建模方法，并結合復合材料漸進破壞分析的數值技術，開發(fā)了有限元程序。在此基礎之上，研究人員考慮了多種破壞模式在葉片破壞過程中的相互激勵因素，以及材料和結構非線性的相互影響，較好地預測了復雜荷載作用下葉片結構的破壞過程和細節(jié)特征(見圖2)。 

　　研究結果表明，復雜荷載的交替循環(huán)作用使得葉片復合材料的局部損傷不斷擴展，由三維應力分量引起的主梁分層破壞和腹板剪切破壞是導致該葉片喪失承載能力的最終原因，而葉片主梁的局部非線性屈曲變形是加速其分層破壞的重要原因。研究成果闡明了大型、超大型風電葉片結構在復雜荷載下的破壞機理，為風電葉片的破壞失效提供了有效的評估與預測方法。 

　　相關研究成果近期已在國際學術期刊Energies上正式發(fā)表： Failure Test and Finite Element Simulation of a Large Wind Turbine Composite Blade under Static Loading.Energies. 2014; 7(4):2274-2297.

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圖1 大型風電葉片破壞性試驗測試 

圖2  葉片破壞模式與破壞特征有限元模擬