【正文】 有時(shí)由于裂紋的急速擴(kuò)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(gè)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(shí)際上就如同缺口，應(yīng)力集中度相當(dāng)?shù)母摺１?1 高強(qiáng)度螺栓斷裂失效主要形式序號(hào)失效形式失效部位或失效類(lèi)型失效特點(diǎn)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(méi)有明顯塑性變形，沒(méi)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(qiáng)度，但工作一段時(shí)間后，極會(huì)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(qiáng)度要小些.材料晶體結(jié)構(gòu)，機(jī)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(qiáng)度，但在服役一定時(shí)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(shí)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(diǎn)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(zhǎng)或脫扣外加載荷過(guò)大或者高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度不足；表面脫碳更是一個(gè)直接影響因素高強(qiáng)度螺栓在實(shí)際工作的過(guò)程中發(fā)生突然瞬間斷裂，這種我們稱(chēng)為脆性斷裂。高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接在制造和實(shí)際使用過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)不合理、加工精度不夠、裝配及使用不合理等原因，會(huì)導(dǎo)致螺栓過(guò)早的出現(xiàn)失效給機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)很大的危害。根據(jù)對(duì)葉根高強(qiáng)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(qiáng)度螺栓疲勞斷裂。葉片在施工現(xiàn)場(chǎng)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(gè)聯(lián)接法蘭面上的螺栓數(shù)量較多，導(dǎo)致各個(gè)螺栓所受載荷存在差異。驗(yàn)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(jì)和強(qiáng)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(jì)要求。說(shuō)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(yàn)的樣片變形量小于理論變形量，樣片的變形量符合設(shè)計(jì)要求。（2）正揮舞試驗(yàn)，氣動(dòng)面主梁實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)應(yīng)變和理論應(yīng)變值曲線變化趨勢(shì)類(lèi)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(yàn)的樣片變形量小于理論變形量，樣片的變形量符合設(shè)計(jì)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(yàn)的應(yīng)變曲線與仿真計(jì)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)應(yīng)變與理論應(yīng)變曲線變化規(guī)律接近一致，各點(diǎn)的實(shí)測(cè)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(duì)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(méi)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(yàn)的應(yīng)變曲線與仿真計(jì)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)和理論應(yīng)變值曲線變化規(guī)律接近一致，各點(diǎn)的實(shí)測(cè)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(yàn)的應(yīng)變曲線與仿真計(jì)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(shí)測(cè)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(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變值和理論應(yīng)變值曲線變化規(guī)律類(lèi)似；各點(diǎn)的實(shí)測(cè)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(duì)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(shí)測(cè)應(yīng)變（181。2）理論實(shí)測(cè)應(yīng)變（181。2/181。1）實(shí)測(cè)應(yīng)變（181。2/181。1）實(shí)測(cè)應(yīng)變（181。2/181。1）實(shí)測(cè)應(yīng)變（181。2/181。1）實(shí)測(cè)應(yīng)變（181。在這里，對(duì)距離葉根較近的位置進(jìn)行分析。在葉片強(qiáng)度試驗(yàn)中處于正擺振、正揮舞和負(fù)揮舞工況時(shí)，分別測(cè)量在每個(gè)工況下加載設(shè)計(jì)載荷的40%、60%、80%、100%（正揮舞方向新載荷和老載荷）時(shí)，葉片的前緣、后緣、工作面主梁、氣動(dòng)面主梁、氣動(dòng)面蒙皮、工作面蒙皮、左右腹板的局部應(yīng)變及葉片10個(gè)位置上的實(shí)際變形。在第3章中我們認(rèn)識(shí)到正常和極端情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪在運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)生最大載荷的位置是在每個(gè)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(jī)葉片坐標(biāo)系和葉根坐標(biāo)系，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片載荷的來(lái)源進(jìn)行分類(lèi)，同時(shí)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(duì)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(gè)時(shí)域內(nèi)的彎矩波動(dòng)劇烈，彎矩波動(dòng)幅值達(dá)1600KNm，最大彎矩達(dá)到1500KNm，說(shuō)明此時(shí)的葉片在Y方向振動(dòng)很大。powprod39。powprod39。葉根載荷計(jì)算與特性分析由計(jì)算得出極限工況下葉根的載荷，如圖31圖312所示。這個(gè)結(jié)論與風(fēng)場(chǎng)收集的葉片斷裂部位的記錄相吻合。而且，由圖39顯示，兩個(gè)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(jì)運(yùn)行20年的壽命周期中會(huì)不會(huì)遇到極限工況，由于它對(duì)風(fēng)力機(jī)，尤其是對(duì)葉片的破壞力極大（往往是致命的破壞），在設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片時(shí)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(dòng)較大；之后，待系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)，葉根處的載荷總是圍繞某一個(gè)值上下波動(dòng)；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(guò)程中增強(qiáng)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(jì)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(shuō)明風(fēng)力機(jī)工作在正常工況下時(shí)，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(chǎng)收集的葉片事故多為葉根聯(lián)接失效的實(shí)際情況是相符的。值得注意的是：在葉根位置，無(wú)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(gè)葉片長(zhǎng)度上的不同位置力及力矩的分布圖。powprod39。powprod39。為了提高計(jì)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(jì)算過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，再將計(jì)算結(jié)果輸出。 如圖34湍流仿真將風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中遇到的工況輸入進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算葉片從切入風(fēng)速到切出風(fēng)速在時(shí)間歷程上的載荷，可得到葉片各個(gè)截面載荷及葉根所承受的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)載荷譜。[34]本文采用IECⅡA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行葉片載荷計(jì)算。由于作用在整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的外部載荷主要是由風(fēng)況條件決定的，從機(jī)組安全運(yùn)行角度考慮，在設(shè)計(jì)葉片載荷時(shí)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(hào)距葉根距離/m弦長(zhǎng)/m扭角/(176。在計(jì)算風(fēng)力機(jī)載荷時(shí)，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(jī)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(yùn)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(yùn)行情況載荷工況風(fēng)況其他條件分析類(lèi)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(dòng)NWP,Vhub=14—疲勞1停機(jī)NWP,Vhub=14—疲勞1緊急停機(jī)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(jì)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(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。動(dòng)態(tài)載荷模擬計(jì)算是GH Bladed進(jìn)行載荷計(jì)算的最核心的部分。靜態(tài)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)主要用于風(fēng)力機(jī)的前期設(shè)計(jì)，并用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的固有特性分析。此軟件其中一項(xiàng)功能即是進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的載荷計(jì)算，主要包含靜態(tài)計(jì)算與動(dòng)態(tài)計(jì)算。 GH Bladed軟件介紹[33]Bladed是專(zhuān)業(yè)計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)載荷和性能的一款計(jì)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(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，并通過(guò)認(rèn)證。2 重力載荷（記作）[32]作用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上的重力載荷，對(duì)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(gè)單位長(zhǎng)度上的輪廓斷面的空氣動(dòng)力為： 而在葉根坐標(biāo)系中，我們可以把作用在葉片單位長(zhǎng)度上的空氣動(dòng)力載荷表示如下（通過(guò)葉片到葉根的坐標(biāo)系變換得到）：式中：W表示垂直來(lái)流風(fēng)速，r表示空氣密度，C表示弦長(zhǎng)，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(lái)流角。本文分別對(duì)葉片、葉根建立了坐標(biāo)系如圖31,圖32,所示：1. 空氣動(dòng)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(jì)算出符合實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(guó)際三大標(biāo)準(zhǔn)，即國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）、德國(guó)船級(jí)社（GL）和丹麥DS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)力機(jī)的載荷都有詳細(xì)的規(guī)定。