风电叶片常见制造缺陷的特征

　　复材叶片的成本占整机成本的15%-20%，但其常见的制造缺陷对叶片制造商乃至整机制造商或业主造成的损失十分严重。对其常见制造缺陷的研究，有利于控制风电叶片在制造过程中的关键缺陷，降低损失。本文通过叶片制造商、维修公司、风场运行者及第三方等多个途径，对已经完成制造或运行中的叶片缺陷进行了大量的统计与分析，主要研究铺层褶皱及气泡两种常见的缺陷。作者对褶皱的分布规律、褶皱的描述方法及褶皱的测试研究、褶皱对损伤影响评价手段进行了详细的讨论。

　　铺层褶皱分为面内褶皱和面外褶皱两种，如图1所示。为了清晰的观测褶皱，本文通过切割后的横截面进行面外褶皱图片采集，面内褶皱则直接进行图片采集。然后采用专业图像处理软件Image J剔除其他元素的影响，将图片处理成8 bit的色素，而后对褶皱进行手动标注，再将褶皱提取成如图2所示的局部特征图。最后采用三次样条曲线或正弦曲线拟合的方式对褶皱进行描述，如图3所示。用于特征描述所采用的元素有三，褶皱幅值、步长和偏轴角。

　　如图4给出了本文所研究的原始褶皱数据的离散分布图，包括面内褶皱和面外褶皱的幅值、偏轴角分布图，并对褶皱的幅值、偏轴角及发生频次进行了威布尔分布拟合，如图5所示。从图5可以看出，褶皱的大部分特征元素的分布符合正态分布。

　　为了便于褶皱研究，需要将实际叶片上的较大褶皱通过一定的缩比方式，通过小试件的测试性能实现对实际叶片褶皱的性能的研究。可以通过式1进行不同体积大小的研究对象的强度缩比。从(式1)可以看出，随着试件尺寸的增大，其强度随之减小。

　　通过测试含缺陷的材料性能，建立起缺陷与本构的关系，并将此关系应用到全尺寸有限元分析中，评估其危险性。

　　本文将创立于1940的美方缺陷危险性评估手段FMECA应用到叶片上。FMECA包括如下参数，失效影响可能性，失效模式比例，失效比例，运行时间。这些参数可以通过(式 2)所示的模式危险性系数和项目危险性系数进行危险性评估应用。

　　其中，β为失效影响可能性，α为失效模式比例，λp为失效比例，t为运行时间。Cm为模式危险性系数，对其求和就是项目危险性系数Cr。

　　通过对表1中各参数进行定性或定量的评估，绘制图6所示的危险性矩阵，有利于建立叶片的接收或拒收准则。

　　需要指出的是，一般一个结构或部件在其生命周期内的可靠性符合如图7所示规律。也就是，在生命周期的初始期内，叶片失效比例较高，此后会有一个较长且平稳的相对较低的失效比例，最后，在临近其寿命极限时，其失效率与初始时期接近，存在明显的上升趋势。

　　本文提供了一套较为完整的常见制造缺陷——裂纹的特征描述方法，测试方法及评估手段，为人们对叶片制造缺陷的研究开辟了奠定了基础。

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