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[摘 要]叶片是风力机进行能量转换的关键部件，在风场实际工作中会受到多种载荷作用，在交变载荷作用下，叶片变形，容易损坏。对叶片进行进行变形与应力应变分析尤为重要。
[关键词]风力机叶片；应力；应变
中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0270-01
1 引言
由于风力机动力源为具有随机性和不确定性的自然风，所以在这种复杂风况下，风力机运行时其叶片、主轴承等关键部位有时会有强烈过载，这种高强度载荷对风力机运行和安全的影响是致命的。叶片是一种细长体的结构，在运行过程中气流的变化导致叶片要承受不稳定的气动载荷、惯性载荷及自身的重力载荷三重作用，在这几种载荷的作用下极易产生非定常变形，这种变形不仅会改变风力机的气动性能，也很容易对叶片产生破坏。因此，研究分析风力机叶片在重力、惯性力和气动力三种力的作用下所发生的位移/应变情况，并基于此分析载荷与应力/应变的变化规律及对叶片破坏程度和动力性能影响，具有实际的工程价值和理论研究意义。
2 风力机叶片应力应变研究现状
应力应变是应力与应变的统称。应力定义为"单位面积上所承受的附加内力"。物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。
国外的叶片载荷与风力机叶片应力应变的研究较早，技术也较为先进。针对叶片的载荷，近年来F.M.Jensen和B.G. Falzon等对某复合材料分层设计的34m 叶片进行挥舞方向加载荷直至叶片发生破坏，记录了叶片各截面位移随加载载荷的变化情况，并对该叶片进行有限元模拟计算，将模拟结果与试验结果进行了比较分析，揭示了叶片失效的机理。P.Malhotra等]对大型风机的叶片进行了静载荷和疲劳載荷的分析，并得出结论：大型风力发电机的叶片更适合用双轴疲劳载荷测试。Heege等]通过有限元法创建风力发电机组的动力学模型，并用叶素动量理论确定风力发电机的气动载荷，并在不同风况下对风力发电机叶片等关键零部件的所受载荷情况进行了仿真分析计算。文章主要就载荷耦合进行分析，为疲劳分析做准备，但没有深入分析在常态下风力机的载荷情况。G Wacker整理了国际上不同的风力机检测标准，例如中国的标准、德国的标准和国际电工委员会的标准等，并分析了其的优缺点，提出了标准的制定规范。赵峰，段巍等基于修正的叶素—动量理论对风力发电机叶片进行受力分析和载荷计算，并在实际算例中计算出叶片的载荷，然后又利用ANSYS软件对叶片进行应力和强度计算，得到叶片上应力数据及最大应力发生的位置。栾绍刚等[14]对大型风力发电机叶片上的载荷进行了分析，并测得了风力机叶片实际运行工作时的载荷数据，在处理软件中分析出其载荷谱，掌握载荷变化规律，为风力机叶片的设计和选材提供依据。关新，孙志礼等依据风切变理论和塔影效应并结合薄翼理论得到风力机叶片在实际运行时叶片各个位置的气动载荷，根据实际情况简化风轮的受力平面，得到了风力机叶片气动载荷的计算方法，并将该方法得到结果与试验测量结果进行对比，结果吻合度比较好。赵万里，李彦秋等基于片条理论，考虑叶尖损失、叶根损失、叶栅和重力载荷的影响，在对片条理论参数进行一定的修正的情况下对某1MW水平轴风力机叶片进行不同运行工况状态下的载荷计算，得出叶片的极限载荷和疲劳载荷，为进行叶片疲劳损伤和疲劳试验提供参考。张再明，吴双群等人[17]通过分析作用在风力机叶片上的主要载荷，提出一种简化的气动载荷计算方法，将惯性载荷和气动载荷在一定的坐标系下叠加，在制定某一受力情况下对叶片上的载荷进行计算，并提出一种应用于风力机叶片变形的计算方法。张里萍，郭刚考虑到风切变和风力机结构、几何参数的影响，以基本风速、渐变风速、阵风风速和脉动风速建立了变风速模型，并将变风速模型应用到叶片载荷计算中，对兆瓦级风力机叶片进行实例计算，实现了叶片在变风速工况下的气动载荷计算。在叶片应力应变的研究方面，Chia chenciang采用光纤光栅传感器测试方法，对风力机叶片进行了静载实验，通过测量结果分析，得到了叶片静力载荷与疲劳损伤间的关联性。JavadBaqersad等在风力机叶片表面布置相应的光学测量目标，使用立体摄影测量技术对机械激振下的叶片进行位移和应变测量，并利用安装在叶片上的应变计测量叶片的应变，将两种方法测得结果进行比较，表明立体摄像技术能够很好的预测整个风力机叶片的应变。Mark A Rumsey利用 AENDT 系统，对出现疲劳损伤的叶片进行了应力分布的研究，并对叶片损伤的等级做出了评估。Leblanc等人采用数字图像相关技术测试了风电叶片在挥舞方向单点集中荷载作用下的全场三维位移和应变。Bhat等对风电叶片有限元模型施加挥舞方向静载荷，测得叶片的位移、应力与应变。Natarajan 等对不同的风电叶片有限元模型施加挥舞方向载荷，测得叶片的位移与应力，分析研究了不同的建模方法对叶片模型静态性能的影响。C. Kong和 J. Bang等设计制造了750kw的玻璃/环氧树脂复合材料的风力机叶片，利用有限元对叶片进行结构分析，并对全尺寸叶片进行模拟气动载荷工况下静态结构试验，试验测得的叶片结构的变形和应变与有限元方法分析结果很好吻合。
国内方面，张建平，李冬亮，韩熠采用 Davenport脉动风速谱模拟出不同平均风速，利用有限元分析软件分析了不同平均风速作用下风力机叶片的挠度和应力情况，结果表明叶片以挥舞振动为主，并随风速增大挥舞幅度也增大，且应力主要集中在叶片中部位置。杨婷，杜文超，杨贺，马超对某1.5MW风力机叶片采用电测法和葫芦水平加载方式进行了摆振正负方向和挥舞正负方向的静载荷应变测试，在预定加载方向加载包含足够安全余量的最大载荷，测试叶片在极限载荷作用下的强度、刚度以及叶片整体位移，其测试结果为叶片的生产制造提供了重要技术参数，并对叶片的设计优化有很好的参考价值。白叶飞，汪建文等以直径1.4m的NACA4415 翼型水平轴风力机风轮模型进行数值模拟，并采用旋转遥测技术对该风力机叶片展开动态应变测试，将试验结果与数值模拟结果进行对比分析，得出叶片根部和叶中部分应变值较大，主要是由离心力和气动力共同作用所引起的。侯西对叶片的二维翼型流场和三维旋转流场进行了仿真分析，得到了不同攻角下叶片二维翼型表面静压分布，以及额定工况时三维旋转流场中叶片表面静压分布。根据流场分析的结果，计算不同风速下叶片不同截面位置的气动力，并利用光纤光栅传感器对叶片进行了静载实验，并研究得到了叶片表面应变的分布以及叶片最大应变随载荷变化的关系。常丽平运用ANSYS Workbench软件平台下的CFX计算模块对最佳尖速比下不同的翼型相对厚度和长度的叶片进行流固耦合计算，并分析了叶片的变形和应力分布情况，以及随叶片厚度变化的情况。
3 结束语
在复杂的气候条件下，叶片要比整机更易损毁。本文通过对风力机叶片应力应变现状的研究，可以在一定程度上避免风力机的过载运行以及叶片、主轴承和增速箱等关键部件的损坏，进而提升风力机运行的安全性和经济性。
参考文献
1、风力机叶片载荷与其位移及应力/应变的耦合研究，陈远涛，2017
2、基于流固耦合的风力机叶片应力应变特性研究，谢晓凤，2018
3、风力机设计理论及方法，北京：北京大学出版社，2012
[关键词]风力机叶片；应力；应变
中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0270-01
1 引言
由于风力机动力源为具有随机性和不确定性的自然风，所以在这种复杂风况下，风力机运行时其叶片、主轴承等关键部位有时会有强烈过载，这种高强度载荷对风力机运行和安全的影响是致命的。叶片是一种细长体的结构，在运行过程中气流的变化导致叶片要承受不稳定的气动载荷、惯性载荷及自身的重力载荷三重作用，在这几种载荷的作用下极易产生非定常变形，这种变形不仅会改变风力机的气动性能，也很容易对叶片产生破坏。因此，研究分析风力机叶片在重力、惯性力和气动力三种力的作用下所发生的位移/应变情况，并基于此分析载荷与应力/应变的变化规律及对叶片破坏程度和动力性能影响，具有实际的工程价值和理论研究意义。
2 风力机叶片应力应变研究现状
应力应变是应力与应变的统称。应力定义为"单位面积上所承受的附加内力"。物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。
国外的叶片载荷与风力机叶片应力应变的研究较早，技术也较为先进。针对叶片的载荷，近年来F.M.Jensen和B.G. Falzon等对某复合材料分层设计的34m 叶片进行挥舞方向加载荷直至叶片发生破坏，记录了叶片各截面位移随加载载荷的变化情况，并对该叶片进行有限元模拟计算，将模拟结果与试验结果进行了比较分析，揭示了叶片失效的机理。P.Malhotra等]对大型风机的叶片进行了静载荷和疲劳載荷的分析，并得出结论：大型风力发电机的叶片更适合用双轴疲劳载荷测试。Heege等]通过有限元法创建风力发电机组的动力学模型，并用叶素动量理论确定风力发电机的气动载荷，并在不同风况下对风力发电机叶片等关键零部件的所受载荷情况进行了仿真分析计算。文章主要就载荷耦合进行分析，为疲劳分析做准备，但没有深入分析在常态下风力机的载荷情况。G Wacker整理了国际上不同的风力机检测标准，例如中国的标准、德国的标准和国际电工委员会的标准等，并分析了其的优缺点，提出了标准的制定规范。赵峰，段巍等基于修正的叶素—动量理论对风力发电机叶片进行受力分析和载荷计算，并在实际算例中计算出叶片的载荷，然后又利用ANSYS软件对叶片进行应力和强度计算，得到叶片上应力数据及最大应力发生的位置。栾绍刚等[14]对大型风力发电机叶片上的载荷进行了分析，并测得了风力机叶片实际运行工作时的载荷数据，在处理软件中分析出其载荷谱，掌握载荷变化规律，为风力机叶片的设计和选材提供依据。关新，孙志礼等依据风切变理论和塔影效应并结合薄翼理论得到风力机叶片在实际运行时叶片各个位置的气动载荷，根据实际情况简化风轮的受力平面，得到了风力机叶片气动载荷的计算方法，并将该方法得到结果与试验测量结果进行对比，结果吻合度比较好。赵万里，李彦秋等基于片条理论，考虑叶尖损失、叶根损失、叶栅和重力载荷的影响，在对片条理论参数进行一定的修正的情况下对某1MW水平轴风力机叶片进行不同运行工况状态下的载荷计算，得出叶片的极限载荷和疲劳载荷，为进行叶片疲劳损伤和疲劳试验提供参考。张再明，吴双群等人[17]通过分析作用在风力机叶片上的主要载荷，提出一种简化的气动载荷计算方法，将惯性载荷和气动载荷在一定的坐标系下叠加，在制定某一受力情况下对叶片上的载荷进行计算，并提出一种应用于风力机叶片变形的计算方法。张里萍，郭刚考虑到风切变和风力机结构、几何参数的影响，以基本风速、渐变风速、阵风风速和脉动风速建立了变风速模型，并将变风速模型应用到叶片载荷计算中，对兆瓦级风力机叶片进行实例计算，实现了叶片在变风速工况下的气动载荷计算。在叶片应力应变的研究方面，Chia chenciang采用光纤光栅传感器测试方法，对风力机叶片进行了静载实验，通过测量结果分析，得到了叶片静力载荷与疲劳损伤间的关联性。JavadBaqersad等在风力机叶片表面布置相应的光学测量目标，使用立体摄影测量技术对机械激振下的叶片进行位移和应变测量，并利用安装在叶片上的应变计测量叶片的应变，将两种方法测得结果进行比较，表明立体摄像技术能够很好的预测整个风力机叶片的应变。Mark A Rumsey利用 AENDT 系统，对出现疲劳损伤的叶片进行了应力分布的研究，并对叶片损伤的等级做出了评估。Leblanc等人采用数字图像相关技术测试了风电叶片在挥舞方向单点集中荷载作用下的全场三维位移和应变。Bhat等对风电叶片有限元模型施加挥舞方向静载荷，测得叶片的位移、应力与应变。Natarajan 等对不同的风电叶片有限元模型施加挥舞方向载荷，测得叶片的位移与应力，分析研究了不同的建模方法对叶片模型静态性能的影响。C. Kong和 J. Bang等设计制造了750kw的玻璃/环氧树脂复合材料的风力机叶片，利用有限元对叶片进行结构分析，并对全尺寸叶片进行模拟气动载荷工况下静态结构试验，试验测得的叶片结构的变形和应变与有限元方法分析结果很好吻合。
国内方面，张建平，李冬亮，韩熠采用 Davenport脉动风速谱模拟出不同平均风速，利用有限元分析软件分析了不同平均风速作用下风力机叶片的挠度和应力情况，结果表明叶片以挥舞振动为主，并随风速增大挥舞幅度也增大，且应力主要集中在叶片中部位置。杨婷，杜文超，杨贺，马超对某1.5MW风力机叶片采用电测法和葫芦水平加载方式进行了摆振正负方向和挥舞正负方向的静载荷应变测试，在预定加载方向加载包含足够安全余量的最大载荷，测试叶片在极限载荷作用下的强度、刚度以及叶片整体位移，其测试结果为叶片的生产制造提供了重要技术参数，并对叶片的设计优化有很好的参考价值。白叶飞，汪建文等以直径1.4m的NACA4415 翼型水平轴风力机风轮模型进行数值模拟，并采用旋转遥测技术对该风力机叶片展开动态应变测试，将试验结果与数值模拟结果进行对比分析，得出叶片根部和叶中部分应变值较大，主要是由离心力和气动力共同作用所引起的。侯西对叶片的二维翼型流场和三维旋转流场进行了仿真分析，得到了不同攻角下叶片二维翼型表面静压分布，以及额定工况时三维旋转流场中叶片表面静压分布。根据流场分析的结果，计算不同风速下叶片不同截面位置的气动力，并利用光纤光栅传感器对叶片进行了静载实验，并研究得到了叶片表面应变的分布以及叶片最大应变随载荷变化的关系。常丽平运用ANSYS Workbench软件平台下的CFX计算模块对最佳尖速比下不同的翼型相对厚度和长度的叶片进行流固耦合计算，并分析了叶片的变形和应力分布情况，以及随叶片厚度变化的情况。
3 结束语
在复杂的气候条件下，叶片要比整机更易损毁。本文通过对风力机叶片应力应变现状的研究，可以在一定程度上避免风力机的过载运行以及叶片、主轴承和增速箱等关键部件的损坏，进而提升风力机运行的安全性和经济性。
参考文献
1、风力机叶片载荷与其位移及应力/应变的耦合研究，陈远涛，2017
2、基于流固耦合的风力机叶片应力应变特性研究，谢晓凤，2018
3、风力机设计理论及方法，北京：北京大学出版社，2012