随着风电机组的大型化发展，复合材料叶片尺寸、重量及载荷的增加对叶片结构可靠性提出了更高要求，大型叶片的安全问题日益突出且失效模式更加复杂，叶片损坏带来的经济损失也更为严重。因此，迫切需要加强对叶片结构失效行为的理解，并提供高效的性能评估和失效预测方法。由于技术风险和高昂成本的限制，全尺寸叶片破坏性测试仍然面临着巨大挑战，而子构件测试则受到越来越多的重视。虽然叶片结构形式复杂且材料种类多样，但在翼展方向的很大范围内，由梁帽和抗剪腹板构成的主承力部件都控制着叶片整体刚度和极限强度。因此，本文提出从子构件尺度进行风电叶片结构失效分析，以主承力部件和叶片翼型段作为研究对象，围绕叶片结构失效机理、参数评估、失效预测及三维建模技术展开试验和数值研究。
　　根据大型风电叶片主承力部件的结构特点和成型工艺，设计并制造了箱型截面承力梁结构，以此试件为代表开展试验和数值研究。承力梁由层合板梁帽和三明治腹板通过结构胶粘接成型，并在梁帽设计中考虑了不同厚度和分层缺陷。
　　承力梁破坏性试验研究中，分别开展了挥舞方向和摆振方向下的三点弯曲极限静力加载，考察了多种失效行为随着加载历程导致最终结构破坏的完整失效顺序，并为后续数值模型开发提供了基准测试数据。通过记录承力梁随载荷水平变化的整体位移、局部应变和动态影像，用于捕捉引发后破坏响应的损伤起始与扩展现象以及相应的应变状态。试验分析将局部变形损伤与承力梁宏观力学性能关联起来，明确了屈曲、Brazier效应和各种材料损伤等不同失效模式发生的时间顺序和空间分布，并详细讨论了涉及几何、材料和接触非线性的失效机理。试验结果表明，承力梁因竞争失效机制会呈现出不同的失效模式:由抗剪腹板局部屈曲驱动的压缩溃塌决定了承力梁在挥舞加载下的极限强度，但由局部胶体裂纹和梁帽屈曲引发的粘接开胶是承力梁在摆振加载下的关键失效模式。此外，Brazier效应和剪切非线性对于初始失效的影响取决于加载方向，三维厚度向开胶失效对后破坏行为的主导作用大于分层。
　　为了预测承力梁的交互破坏过程，开发了全面且通用的非线性结构失效模拟方法。采用基于连续损伤力学的渐进失效分析方法模拟了三维应力/应变驱动下的承力梁失效行为，并在模型中考虑了与几何、材料和接触相关的结构非线性。材料损伤模型涉及了多种材料失效，包括层内和层间复合材料失效、泡沫夹芯压碎和粘接失效，单向复合材料的面内非线性剪切应力应变关系也考虑在其中，并在单元尺度和层合板尺度分别验证了材料模型的可靠性。在应变响应、极限载荷、失效模式和破坏过程四个方面，对数值模拟与试验观察进行了全面的比较。结果表明，该模拟方法对复合材料承力梁的强度和失效预测均能达到较高的准确性，它对于整个风电叶片的失效响应预测和损伤容限设计也表现出巨大的应用潜力。
　　承力梁结构失效进程通常由梁帽和抗剪腹板的局部屈曲驱动，基于屈曲响应与潜在失效的这种关联性，提出了采用线性屈曲分析方法对影响承力梁结构失效的多种因素进行高效评估。通过建立屈曲模式包络图，评估了承力梁几何外形和厚度参数对结构失效的影响，并在梁帽和腹板混合屈曲发展模式下，获得了结构强度与减重之间的优化关系。结果表明，梁帽曲率增大有利于抵抗截面扁平化，可以显著改善屈曲强度;只有当梁帽屈曲占主导时，截面横纵比的变化对屈曲强度的影响大于重量。考察边界条件发现，载荷引入方式对屈曲响应的影响与加载工况有关。这种评估方法仅使用商用有限元软件中容易获取的通用建模技术而无需依靠用户子程序，因此允许执行高效地故障评估用于风电叶片早期设计。
　　为了能够快速高效的建立大型叶片高保真三维有限元模型，针对叶片翼型段提出了一套自动化参数建模技术，通过参数预定义可以处理模型创建过程中所有步骤。利用开发的建模程序可以实现节点生成、单元创建、材料输入、边界及载荷定义等功能，允许由参数化外轮廓曲线自动建立包含实体单元和粘接单元的叶片翼型段模型，且可以灵活地考虑不同网格密度、铺层过渡细节和内部粘接方式，较大程度地实现了输出的多样化。叶片翼型段模型与全尺寸叶片试验在静力加载下进行对比，位移和应变均吻合良好，表明建模技术是可靠的。这种高保真三维实体单元建模方法有助于建立全局-局部多尺度叶片模型，为大型叶片精细化设计和分析提供了有效手段。