復材風電葉片的成本占整機成本的15%-20%，但其常見的制造缺陷對葉片制造商乃至整機制造商或業(yè)主造成的損失十分嚴重。對其常見制造缺陷的研究，有利于控制風電葉片在制造過程中的關(guān)鍵缺陷，降低損失。本文通過葉片制造商、維修公司、風場運行者及第三方等多個途徑，對已經(jīng)完成制造或運行中的葉片缺陷進行了大量的統(tǒng)計與分析，主要研究鋪層褶皺及氣泡兩種常見的缺陷。作者對褶皺的分布規(guī)律、褶皺的描述方法及褶皺的測試研究、褶皺對損傷影響評價手段進行了詳細的討論。

1 褶皺描述

鋪層褶皺分為面內(nèi)褶皺和面外褶皺兩種，如圖1所示。為了清晰的觀測褶皺，本文通過切割后的橫截面進行面外褶皺圖片采集，面內(nèi)褶皺則直接進行圖片采集。然后采用專業(yè)圖像處理軟件Image J剔除其他元素的影響，將圖片處理成8 bit的色素，而后對褶皺進行手動標注，再將褶皺提取成如圖2所示的局部特征圖。最后采用三次樣條曲線或正弦曲線擬合的方式對褶皺進行描述，如圖3所示。用于特征描述所采用的元素有三，褶皺幅值、步長和偏軸角。

圖1

圖2

圖3

2 褶皺分布研究

如圖4給出了本文所研究的原始褶皺數(shù)據(jù)的離散分布圖，包括面內(nèi)褶皺和面外褶皺的幅值、偏軸角分布圖，并對褶皺的幅值、偏軸角及發(fā)生頻次進行了威布爾分布擬合，如圖5所示。從圖5可以看出，褶皺的大部分特征元素的分布符合正態(tài)分布。

圖4

圖5

3 褶皺的縮比測試

為了便于褶皺研究，需要將實際葉片上的較大褶皺通過一定的縮比方式，通過小試件的測試性能實現(xiàn)對實際葉片褶皺的性能的研究。可以通過式1進行不同體積大小的研究對象的強度縮比。從(式1)可以看出，隨著試件尺寸的增大，其強度隨之減小。

其中，σ為強度，V為體積，m為威布爾分布常量，可以取29.1.

對于小的褶皺試件，本文采用CT進行褶皺及氣泡測量。

4 缺陷的危險性評估

4.1 材料性能測試

通過測試含缺陷的材料性能，建立起缺陷與本構(gòu)的關(guān)系，并將此關(guān)系應用到全尺寸有限元分析中，評估其危險性。

4.2 危險性及嚴重度參數(shù)識別

本文將創(chuàng)立于1940的美國軍方缺陷危險性評估手段FMECA應用到葉片上。FMECA包括如下參數(shù)，失效影響可能性，失效模式比例，失效比例，運行時間。這些參數(shù)可以通過(式 2)所示的模式危險性系數(shù)和項目危險性系數(shù)進行危險性評估應用。

其中，β為失效影響可能性，α為失效模式比例，λp為失效比例，t為運行時間。Cm為模式危險性系數(shù)，對其求和就是項目危險性系數(shù)Cr。

葉片危險性和嚴重度評估可能用到的參數(shù)。

通過對表1中各參數(shù)進行定性或定量的評估，繪制圖6所示的危險性矩陣，有利于建立葉片的接收或拒收準則。

圖6

需要指出的是，一般一個結(jié)構(gòu)或部件在其生命周期內(nèi)的可靠性符合如圖7所示規(guī)律。也就是，在生命周期的初始期內(nèi)，葉片失效比例較高，此后會有一個較長且平穩(wěn)的相對較低的失效比例，最后，在臨近其壽命極限時，其失效率與初始時期接近，存在明顯的上升趨勢。

圖7

本文提供了一套較為完整的常見制造缺陷——裂紋的特征描述方法，測試方法及評估手段，為人們對葉片制造缺陷的研究開辟了奠定了基礎(chǔ)。