【正文】 有時由于裂紋的急速擴展而形成放射狀撕裂棱，呈人字形，山脊形或者是松枝形花樣。一般情況斷口與主應(yīng)力垂直，與表面平齊，主要呈現(xiàn)瓷狀或顆粒狀。因此，螺栓的脆斷主要發(fā)生在這兩個部位。研究表明：在靠近螺母支承面的第一扣螺紋處是應(yīng)力集中最嚴(yán)重的位置。螺栓上的螺紋實際上就如同缺口，應(yīng)力集中度相當(dāng)?shù)母?。?1 高強度螺栓斷裂失效主要形式序號失效形式失效部位或失效類型失效特點相關(guān)因素1脆性斷裂靠近螺母支承面的第一扣螺紋處脆性斷裂斷口附近沒有明顯塑性變形，沒有剪切唇，斷口一般與主應(yīng)力垂直，表面平齊材料的性質(zhì)與加載速度頭部和桿部交接處2延滯破壞靜延滯破壞 所承受的應(yīng)力低于材料的屈服強度，但工作一段時間后，極會發(fā)生突然的斷裂受疲勞載荷影響應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致斷裂的應(yīng)力，一般比材料的屈服強度要小些.材料晶體結(jié)構(gòu)，機械性能、合金成分、熱處理狀態(tài)、環(huán)境以及工藝殘余應(yīng)力，安裝預(yù)緊力及服役中的工作應(yīng)力有關(guān)氫脆斷裂承受的應(yīng)力低于材料的屈服強度，但在服役一定時間后，有可能發(fā)生突然斷裂工藝因素占著主導(dǎo)地位3腐蝕失效通常是穿晶斷裂，有時也發(fā)生沿晶斷裂腐蝕裂紋寬而粗，在裂紋附近常有氧化物和腐蝕斑點材質(zhì)及服役環(huán)境條件4疲勞失效螺栓、螺母結(jié)構(gòu)、螺紋牙溝螺栓失效的重要形式之一承受交變載荷，還與螺母結(jié)構(gòu)、螺紋表面粗糙度、牙溝平滑度等工序有關(guān)5變形與脫扣變形、脫扣螺栓被拉長或脫扣外加載荷過大或者高強度螺栓的強度不足；表面脫碳更是一個直接影響因素高強度螺栓在實際工作的過程中發(fā)生突然瞬間斷裂，這種我們稱為脆性斷裂。高強度螺栓聯(lián)接在制造和實際使用過程中，由于設(shè)計不合理、加工精度不夠、裝配及使用不合理等原因，會導(dǎo)致螺栓過早的出現(xiàn)失效給機組的運轉(zhuǎn)帶來很大的危害。根據(jù)對葉根高強度螺栓斷裂相關(guān)信息進(jìn)行搜索分析，得出斷裂主要原因是高強度螺栓疲勞斷裂。葉片在施工現(xiàn)場進(jìn)行裝配，由于各種原因使螺栓受到的預(yù)緊力存在區(qū)別，而單個聯(lián)接法蘭面上的螺栓數(shù)量較多，導(dǎo)致各個螺栓所受載荷存在差異。驗證了葉片在葉根處載荷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為下一章葉根聯(lián)接螺栓的設(shè)計和強度校核提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。樣片葉尖變形量小于理論變形量，樣片的變形量符合設(shè)計要求。說明主梁能承受老載荷，而三處受折蒙皮在老載荷作用下已達(dá)到屈服極限，因而發(fā)生屈曲。負(fù)揮舞靜力試驗的樣片變形量小于理論變形量，樣片的變形量符合設(shè)計要求。（2）正揮舞試驗，氣動面主梁實測應(yīng)變值和理論應(yīng)變值相差不大，曲線變化規(guī)律接近一致，最大壓應(yīng)變發(fā)生在展向距離葉根19 m附近；工作面主梁實測應(yīng)變和理論應(yīng)變值曲線變化趨勢類似，最大拉應(yīng)變發(fā)生在展向距離葉根22 m附近；正揮舞靜力試驗的樣片變形量小于理論變形量，樣片的變形量符合設(shè)計要求。6．負(fù)揮舞工作面主梁應(yīng)變曲線比較分析負(fù)揮舞工作面主梁試驗的應(yīng)變曲線與仿真計算得到的應(yīng)變曲線分別如圖41圖412所示：圖411 負(fù)揮舞不同載荷下工作面主梁實測應(yīng)變曲線圖412 負(fù)揮舞不同載荷下工作面主梁仿真應(yīng)變曲線圖411和圖412，可以看出工作面主梁實測應(yīng)變與理論應(yīng)變曲線變化規(guī)律接近一致，各點的實測壓應(yīng)變值最小在29通道處，理論壓應(yīng)變值最小也在29通道處，對比壓應(yīng)變最值發(fā)生在沿葉展方向距離葉根19 m處。主要原因是加載的側(cè)拉系統(tǒng)鋼絲繩偏離了理想的側(cè)拉軌道，使葉片受到的載荷沒有達(dá)到預(yù)設(shè)值造成的。4．正揮舞工作面主梁應(yīng)變曲線比較分析正揮舞工作面主梁試驗的應(yīng)變曲線與仿真計算得到的應(yīng)變曲線分別如圖4圖48所示：圖47正揮舞工作面主梁實測應(yīng)變曲線圖48正揮舞工作面主梁仿真應(yīng)變曲線圖47和圖48表明：工作面主梁實測和理論應(yīng)變值曲線變化規(guī)律接近一致，各點的實測應(yīng)變值最大在29通道處，理論應(yīng)變值最大在30通道處，即沿展向距離葉根22 m處。2．正擺振后緣應(yīng)變曲線比較分析正擺振后緣試驗的應(yīng)變曲線與仿真計算得到的應(yīng)變曲線分別如圖4圖44所示：圖43 不同載荷下后緣實測應(yīng)變曲線圖44 不同載荷下后緣仿真應(yīng)變曲線圖43和圖44表明：看出后緣各點的實測應(yīng)變值和理論應(yīng)變值曲線變化規(guī)律類似；各點的實測拉應(yīng)變值最大在30通道處，理論拉應(yīng)變值最大在30通道附近，對比拉應(yīng)變最值發(fā)生在沿展向距離葉根19 m附近。1729825912034512443112549垂直29549344275059010387371397539水平345463517715690977862129054 45176。10424815640520852126066137垂直31127471626220978253419水平32474048611896481379810165942 45176。1）應(yīng)變（181。1）應(yīng)變（181。2）理論實測應(yīng)變（181。2）理論實測應(yīng)變（181。2/181。1）實測應(yīng)變（181。2/181。1）實測應(yīng)變（181。2/181。1）實測應(yīng)變（181。2/181。1）實測應(yīng)變（181。在這里，對距離葉根較近的位置進(jìn)行分析。在葉片強度試驗中處于正擺振、正揮舞和負(fù)揮舞工況時，分別測量在每個工況下加載設(shè)計載荷的40%、60%、80%、100%（正揮舞方向新載荷和老載荷）時，葉片的前緣、后緣、工作面主梁、氣動面主梁、氣動面蒙皮、工作面蒙皮、左右腹板的局部應(yīng)變及葉片10個位置上的實際變形。在第3章中我們認(rèn)識到正常和極端情況下，風(fēng)力發(fā)電機葉輪在運行過程中，產(chǎn)生最大載荷的位置是在每個葉片與輪轂連接的葉根處。為研究方便，首先建立了風(fēng)力發(fā)電機葉片坐標(biāo)系和葉根坐標(biāo)系，對風(fēng)力機葉片載荷的來源進(jìn)行分類，同時確定主要載荷；應(yīng)用Bladed軟件，輸入上一章生成的仿真風(fēng)文件，對模型加載風(fēng)工況。葉根Z向載荷穩(wěn)定在200KN附近，這比正常工況下Z向的125KN大了很多；Y方向即擺振方向在整個時域內(nèi)的彎矩波動劇烈，彎矩波動幅值達(dá)1600KNm，最大彎矩達(dá)到1500KNm，說明此時的葉片在Y方向振動很大。powprod39。powprod39。葉根載荷計算與特性分析由計算得出極限工況下葉根的載荷，如圖31圖312所示。這個結(jié)論與風(fēng)場收集的葉片斷裂部位的記錄相吻合。而且，由圖39顯示，兩個方向的應(yīng)力也在此交叉疊加。]Time =100 sBlade 1 MxBlade 1 MyBlade 1 Mz [Nm]Blade station radius [m]5000010000015000020000025000005000005101520253035圖310葉片截面X、Y、Z方向的力矩圖39和圖310表明:極端工況下，產(chǎn)生最大載荷的位置在葉根處，最大值為250KN，此值遠(yuǎn)大于葉片在正常工況下的沿葉展方向的受力。]Time =100 sBlade 1 FxBlade 1 FyBlade 1 Fz [N]Blade station radius [m]5000005000010000015000020000025000030000005101520253035圖39葉片截面X、Y、Z方向的力e:\dengxinli\ [Run 39。e:\dengxinli\ [Run 39。不管在葉片設(shè)計運行20年的壽命周期中會不會遇到極限工況，由于它對風(fēng)力機，尤其是對葉片的破壞力極大（往往是致命的破壞），在設(shè)計風(fēng)力機葉片時也必須要考慮。]Blade station radius = mBlade 1 MxBlade 1 MyBlade 1 Mz [Nm]Time [s]500000100000005000001000000150000020000000100200300400500600圖38葉根在X、Y、Z方向的力矩圖3 38表明：在最初的150秒內(nèi)，受系統(tǒng)不穩(wěn)定影響，葉根處的載荷波動較大；之后，待系統(tǒng)穩(wěn)定下來，葉根處的載荷總是圍繞某一個值上下波動；額定風(fēng)速下，葉根沿葉展方向（Z向）的應(yīng)力最大，這是由于大質(zhì)量的葉片在旋轉(zhuǎn)過程中增強慣性離心力的作用；Y方向即擺振方向的彎矩最大。]Blade station radius = mBlade 1 FxBlade 1 FyBlade 1 Fz [N]Time [s]500001000000500001000001500002000002500000100200300400500600圖37葉根在X、Y、Z方向的力e:\dengxinli\ [Run 39。e:\dengxinli\ [Run 39。2．葉根載荷計算與特性分析基于上一小節(jié)分析得出：葉根處所承受的載荷及力矩是最大的。說明風(fēng)力機工作在正常工況下時，其葉片根部受到的載荷最大，即葉根處最易發(fā)生疲勞破壞，這與現(xiàn)場收集的葉片事故多為葉根聯(lián)接失效的實際情況是相符的。值得注意的是：在葉根位置，無論是力還是力矩都顯示出最大值（除Z方向的彎矩變化不大）。圖中顯示出在整個葉片長度上的不同位置力及力矩的分布圖。powprod39。powprod39。為了提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，一般前10秒的模擬數(shù)據(jù)不作為參考，等計算過程進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，再將計算結(jié)果輸出。 如圖34湍流仿真將風(fēng)力發(fā)電機在實際運行過程中遇到的工況輸入進(jìn)行仿真模擬，計算葉片從切入風(fēng)速到切出風(fēng)速在時間歷程上的載荷，可得到葉片各個截面載荷及葉根所承受的穩(wěn)定動態(tài)載荷譜。[34]本文采用IECⅡA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行葉片載荷計算。由于作用在整個風(fēng)電機組的外部載荷主要是由風(fēng)況條件決定的，從機組安全運行角度考慮，在設(shè)計葉片載荷時一般需描述兩種風(fēng)況條件。具體參數(shù)如下表33所示：表33葉片參數(shù)截面號距葉根距離/m弦長/m扭角/(176。在計算風(fēng)力機載荷時，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主要考慮的七種風(fēng)模型如表31，風(fēng)力機工況如表32所示： 表31 IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的主要風(fēng)模型MNT標(biāo)準(zhǔn)湍流風(fēng)模型ECD包含風(fēng)向變化的極限連續(xù)陣風(fēng)模型NWP定速風(fēng)模型EOG極限運行陣風(fēng)模型EWS極限風(fēng)剪切模型ECG極限連續(xù)陣風(fēng)模型EWM極限暴風(fēng)模型表32 IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工況表運行情況載荷工況風(fēng)況其他條件分析類型偏載荷安全系數(shù)發(fā)電工況NTM,Vub=14—極限NTM,4Vhub25—疲勞1ECD,Vhub=14—極限NWP,Vhub=14外部電故障極限EOG1,Vhub=14脫網(wǎng)極限EOG50,Vhub=14—極限EWS,Vhub=14—極限EDC50,Vhub=14　極限ECG,Vhub=14—極限發(fā)電并帶有故障NWP,Vhub=14控制系統(tǒng)故障極限NWP,Vhub=14—極限啟動NWP,Vhub=14—疲勞1停機NWP,Vhub=14—疲勞1緊急停機NWP,Vhub=14—極限空轉(zhuǎn)EWM,Vhub=—極限Vhub=—疲勞1停轉(zhuǎn)NTM,Vhub=—極限葉片翼型是Bladed分析軟件進(jìn)行后續(xù)計算的最為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)正確與否直接影響到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。動態(tài)載荷模擬計算是GH Bladed進(jìn)行載荷計算的最核心的部分。靜態(tài)計算得到的數(shù)據(jù)主要用于風(fēng)力機的前期設(shè)計，并用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機的固有特性分析。此軟件其中一項功能即是進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機組的載荷計算，主要包含靜態(tài)計算與動態(tài)計算。 GH Bladed軟件介紹[33]Bladed是專業(yè)計算風(fēng)力發(fā)電機載荷和性能的一款計算軟件，它所采用的理論方法及算法業(yè)已得到世界各大風(fēng)電公司生產(chǎn)的風(fēng)機實測數(shù)據(jù)加以驗證，并通過認(rèn)證。2 重力載荷（記作）[32]作用在風(fēng)力發(fā)電機葉片上的重力載荷，對葉片產(chǎn)生擺振方向的彎矩，隨葉片方位角的變化呈現(xiàn)周期變化，所以，重力載荷是葉片的主要疲勞載荷。在葉片坐標(biāo)系下，依據(jù)葉素理論把葉片上每個單位長度上的輪廓斷面的空氣動力為： 而在葉根坐標(biāo)系中，我們可以把作用在葉片單位長度上的空氣動力載荷表示如下（通過葉片到葉根的坐標(biāo)系變換得到）：式中：W表示垂直來流風(fēng)速，r表示空氣密度，C表示弦長，Cl、Cd分別表示剖面翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)，a表示攻角，f表示來流角。本文分別對葉片、葉根建立了坐標(biāo)系如圖31,圖32,所示：1. 空氣動力載荷（記作）[31] 葉片上的載荷包括擺振方向的剪力和彎矩、揮舞方向的剪力與彎矩以及與變槳距力矩平衡的葉片俯仰力矩。為了能夠計算出符合實際的風(fēng)力發(fā)電機葉片載荷的分布狀況。為方便研究，只考慮前三種載荷情況。國際三大標(biāo)準(zhǔn)，即國際電工委員會（IEC）、德國船級社（GL）和丹麥DS標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)力機的載荷都有詳細(xì)的規(guī)定。