风能是可再生能源。叶片为大型风力发电机的重要部件之一,受人为和制造工艺技术等因素影响,叶片容易带有纤维断裂、分层、气孔、微裂纹等原生缺陷。在风力发电机叶片服役过程中,原生缺陷不断长大和串接,导致风力发电机叶片宏观力学性能劣化,甚至导致风力发电机叶片疲劳断裂,使整个风力发电机组无法正常运行。因此对大型风力发电机原生缺陷叶片的疲劳损伤演化研究是至关重要的,有利于提前预测风力发电机叶片故障,保证风力发电机的安全性和使用性,减少巨大的经济损失。风力发电机叶片疲劳损伤演化过程是一种不可逆的热力学非线性过程,结合材料学、疲劳学、热力学及先进的红外热像检测技术,横跨微观、细观、宏观的不同尺度层次,研究多种原生缺陷风力发电机叶片的疲劳损伤机制,为实现风力发电机叶片的在线、实时的健康监测提供理论支撑,本文从试验、理论方面对原生缺陷叶片的疲劳损伤过程分析研究。利用红外热像仪研究分层、气孔缺陷对叶片疲劳损伤的影响,通过监测疲劳过程中分层、气孔缺陷叶片试件表面温度和红外热像序图变化,发现缺陷对叶片疲劳损伤与缺陷深度、缺陷类型有关。分层和气孔缺陷对叶片疲劳损伤程度随疲劳时间逐渐增加,表面温度逐渐升高。相同缺陷类型时,深度浅的缺陷对叶片疲劳损伤程度影响大;相同缺陷深度时,分层缺陷比气孔缺陷对叶片疲劳损伤影响大。疲劳极限是抗疲劳断裂重要参数,与疲劳损伤有密切关系,利用红外热像仪的双线式法预测疲劳极限是最常见方法。由于疲劳过程的稳定状态表面温度不精确影响双线式法预测疲劳极限精度,故提出角归一化双线式法预测缺陷叶片疲劳极限。分别对分层和气孔缺陷叶片进行阶段式疲劳试验,利用双线式法、角归一化双线式法预测疲劳极限,与升降法预测疲劳极限结果对比。试验结果发现,提出角归一化双线式方法预测结果与升降法试验结果最吻合,误差率小于双线式法。原生缺陷在疲劳载荷作用下会演化成微裂纹的形成、扩展,裂尖温度场能够反映裂纹扩展过程的热耗散现象。红外热像仪为疲劳损伤过程温度监测提供有利的技术支持,但是受试验条件影响红外热像仪测量温度精度不准确,直接影响叶片疲劳损伤的准确评估。因此,先重点探究疲劳过程微裂纹缺陷叶片温度场计算模型;再利用试验结果验证温度场计算模型的准确性和可行性;最后基于温度场计算的数值解和试验值分析影响红外热像仪温度测量精度的因素,提出调整红外热像仪测量方法。采用红外热像仪监测边界微裂纹缺陷叶片疲劳试验,通过ANSYS有限元的数值解和试验结果对比发现,建立的风力发电机叶片微裂纹温度场模型是准确和可行的。在提出的疲劳试验条件下,数据处理方法无法提高红外热像仪测量温度精度不高;在发射率、试验距离、环境温度、环境辐射几个方面对疲劳试验进行调整,发现使红外热像仪测量温度精度提高到4%。疲劳损伤伴随着不可逆的能量耗散,一部分转化为热耗散,另一部转化为内储能,内储能主要改变材料内部微观形貌。以微裂纹、分层缺陷叶片不同疲劳试验为例,分析疲劳过程中内储能变化规律,并利用宏观和微观形貌分析原生缺陷对叶片的疲劳损伤机制。试验结果发现,叶片的内储能随疲劳时间增长而逐渐增加,达到某一程度时出现转折点,内储能缓慢增加。利用微裂纹和分层叶片不同时刻的微观形貌图发现,不同时刻的内储能产生不同的疲劳损伤形式。深层次分析原生缺陷叶片疲劳损伤方式的萌生、衍变机理,为叶片疲劳损伤机理提供理论支撑。疲劳损伤临界点是疲劳断裂的重要判据,临界点的准确评估有利于预防风力发电机叶片的疲劳断裂。以温度和耗散能为辅助量,参考熵增原理构建法则,建立以熵为疲劳损伤参量的风力发电机叶片疲劳损伤模型,分析原生缺陷叶片的累积熵产变化规律,确定疲劳损伤的临界点。试验研究发现,纤维断裂和气孔缺陷叶片在恒载荷、变载荷疲劳试验下,叶片的累积熵产曲线有三个阶段变化。累积熵产曲线的第三阶段起始点确定为疲劳损伤临界点,并通过疲劳试验验证了临界点确定的准确性和可行性。临界点的累积熵产和疲劳断裂点的累积熵产均为恒定值,不受任何试验参数的影响,并且它们比值约为0.5,在疲劳试验临界点的疲劳寿命约占80%整个疲劳寿命。由于累积熵产具有恒定不变特点,不因风力机叶片的不同工况和叶片材料性质等因素受到影响,能够作为疲劳损伤能力的表征,对评估叶片疲劳损伤有重要优势。