风力机叶片设计.doc

风力机叶片设计、制造的趋势和评价 风力机叶片设计、制造的趋势和评价 风力机叶片设计、制造的趋势和评价隐藏 窗体顶端窗体底端风力机叶片设计、制造的趋势和评价 风力机叶片设计、制造的趋势和评 价美 国 Sandia 国 家 试 验 室 Paul S.Veers,Thomas D.Ashwill,Herbert J. Sutherland,Daniel.L.Laird and Donald.W Lobitz 等著 前言 风力机叶片的尺寸和产量都巳稳定增大，现在主流产品功率为 1MW 至 3MW。80 米直径的转子巳在生产，90 米至 120 米直径的 转子已有样机。2001 年生产风力机叶片共用了 5 万吨成品玻璃纤维 层合板，今后几年还会增加。叶片变长叶轮变大，都会增加叶片在整 机成本中的比重。因为叶片是整台风机的关键部件之一,改进叶片的 设计、制造及性能，一直是研究开发的主要目标。 叶片设计和制造的改进基于多年的生产经验和工业研发。有的 研发是欧美政府资助的项目。研究的重点是,多种叶片设计和材料技 术。技术挑战包括:尺寸加大但抑制重量增加、改进功率性能和减轻 载荷、方便运输、使疲劳循环达 1 亿至 10 亿次、和降低设计裕度。 叶片只占风机成本的 10% 15%，所以靠叶片来降低能源价 格(COE)，其作用是有限度的。如果创新的叶片设计,能降低 10% 20%载荷，则能从几个主要部件(如塔、传动轴系、叶片本身)都得到 好处。适当的叶片成本降低，和带来的其它系统造价降低，可降低能 源价格。 设计和制造 历史上的叶片结构和制造方法 图 1 是切面图，表示风机叶片的典型结构。翼缘(大梁盖)为较 厚的主要是单向纤维铺层组成，以承担拍打方向的弯矩。叶片蒙皮是 典型的双轴向的(double-bias)或三轴向的(triaxial)玻璃纤维;轻木或 泡沫塑料芯是抗屈曲用的。过去，叶片用全玻璃纤维铺层或个别情况 用碳纤维局部加强制造。当叶片长度到 30 米时，最普通的制造方法 是湿法手工铺放敞模成型。值得注意的例外是 Vestas,她造叶片一直 用预浸料玻璃纤维。 图 1. 风力机叶片结构图 叶片质量增加的趋势 图 2 给出 750KW 至 4.5MW 风机叶片质量与风机转子半径的 关系。简单地放大叶片，其质量将按转子半径的立方增加。但图 2 并 非如此，仅是半径 2.3 次方的关系。从图 2 还可看到叶片质量有较大 分散度。这主要因为材料、制造方法及设计准则的变化。 对某一设计等级的某个制造厂,还可发现其质量增大另一种趋 势。Vestas 的 V66 和 V80 叶片的质量差就是半径的 2.7 次方的关 系。此指数值很接近立方放大关系。因为 V66 巳用了高性能预浸材 料，己是轻重量设计,再降低重量(假定未改变纤维种类)的空间不大 了。质量增长指数低于立方关系，很可能是采用较厚截面的翼型的结 果。LM35.0 和 LM43.8,在 IEC 二级,的质量差放大指数为半径的 1.7 次方,这大大低于其它各家的。这是因为 LM 设计中已在材料性能上 采 取 了 重 大 改 进 , 和 使 用 较 厚 截 面 的 翼 型 。 图 2. 商用 MW 级叶片设计的质量增长(基本为玻璃纤维) 参考文献 2 详细介绍了，商业叶片质量增长趋势，和气动力、结构 设计、材料、制造工艺的基本评价。数据表明抑制重量增加的主要办 法是，对大叶片采用有较大厚度-弦长比(t/c)的翼型。大于 20 米至 50 米的叶片，雷诺数增加,允许使用高厚弦比翼型，而对气动性能无 大不利。用较厚翼型，可能也会进一步改善结构功能，但也必须综合 考虑气动性能。 图 2 的数据仅限基本是玻璃纤维(指全玻璃纤维或有选择的使 用碳纤维)叶片。用碳纤维梁的叶片，如 Vestas V90 和 DeWind 40 米叶片不在内。与材料有关的抑制质量增加的方法主要在，改进铺层 的一致性、较好的纤维平直度和增多纤维含量份额。 制造趋势 不少风机制造厂正走向自己配套生产叶片,并使用多种多样的 材料和制造方法。Nordex 和 GE 生产 30 米至 50 米叶片，都是敞模 湿法成型，用手工铺放基本为玻璃纤维的结构。NEG Micon 制 40 米 叶片用碳增强环氧复合材料(woodsolepoxy)。TPI Composites 制造 30 米叶片用它的 SCRIMP 真空辅助树脂造型工艺(VARTM)。Bonus 现在制造大叶片,有种更新颖的方法，制造 30 米以上长叶片，用单注 射浸渍干成型,不再需要上部叶片和下部叶片的第二次粘接。 近来，有些叶片在承重梁结构混用碳纤维。Vestas 新 V90 叶 片用碳纤维梁。DeWind 用革新方法生产 40 米碳纤维玻璃纤维混合 叶片。此工艺中翼缘用预浸碳纤维。固化后，翼缘作为半成品砌入玻 璃纤维的叶片蒙皮。 大叶片的设计和限制 常规玻璃纤维叶片，成品叶片的制造成本为 9 至 11 美元/公 斤。评价风机任何设计和制造改动的价值，基本数字是系统的电价。 一般说，叶片占整台风机费用的 10%至 15%。叶片更改材料和工艺 所增加的成本,必须由系统的其它改进得到补偿，如发电性能和负荷。 要将现在叶片经济地放大到叶轮直径大于 80 米至 120 米,巳了 解到叶片设计和工艺有几项基本困难。最现实的约束是运费,大于 46 米运费就猛增，超过 61 米就禁止长途拖运。 就制造言，环保可能禁止继续使用有挥发气体高排放的工艺， 如湿法手工铺放敞模成型，它曾经是风机业的常规。制造大叶片遇到 的另一个问题是胶接。叶片大了，配合与胶结部分间的缝隙也会大 些。适用于小叶片的粘结剂，也不大适用于胶接大缝隙，而且制造叶 片的工具和生产成本也会因其尺寸公差的要求严格而增加。 重力载荷也是设计应考虑的，但这不是采用现有材料而放大叶 片设计的绝对约束。当然，采用轻材料和轻型设计而减轻叶片重量， 对 MW 级叶片是有利的。因为这可不加强尾缘和根部过渡处,就可适 应重量增加引起的尾缘方向(edgewise)疲劳载荷。 改进设计的动力 1992 年是设计直径为 40 米转子的 500KW 风机。现在是设计直径为 100 米转子的 3MW 级风机。如前面讨论的，转子尺寸的增加并未导 致叶片重量按立方增加。这归功于设计，设计改进了叶片材料和结构 的安全裕度。在降低安全系数情况下进行可靠的设计，在设计过程中 必须应用更先进的技术。载荷分析巳大大提高了精确度，故障分析是 需要的，屈曲稳定性预测要用非线性有限元分析法。 极限载荷 风力机的极限载荷是从风场 50 年极端风速和最大瞬时运行状态得出 的。早期的较小的转子,主要按 50 年最大风载作为极限载荷。转子增 大后，瞬时运行风载成为极限载荷。经过多年经验，运行载荷的分析 巳相当准确。 叶根 由于转子大了，叶根联接部分的疲劳寿命成为关键。现在大叶片根 部直径加大,相对厚度降低，叶根联接部需用三维非线性分析。现用 的大直径变浆矩轴承,比小转子的灵活些，对滚珠轴承必须用非线性 接触间隙(contact gap)模型模拟。 铺层 转子直径大了，由于塔隙的要求,叶片铺层的疲劳不是关键了。在叶 片过渡区和 50%翼展之间，往往是叶片铺层疲劳寿命最低的。 塔隙(tower clearance) 转子直径增大，塔隙成为决定叶片铺层尺寸设计的支配因素。基本 的上风式转子-塔架的布置，没有因转子增大而改变。由于叶片挠度 按长度的立方关系变化，而且运行负荷现在常超过 50 年最大风载， 转子增大则塔隙必然成为设计的支配因素。 叶片材料 大量材料已成功地用于风力机叶片，主要是玻璃纤维复合材 料。转子增大就促使设计者研究其它材料并对现有材料采用革新工 艺。 玻璃纤维材料 已经通过对玻璃纤维复合材料的研究，得到两个风力机叶片材 料和载荷主要数据库，European Fact 和 US DOE/MSU 复合材料疲 劳数据库。前者对一些材料作了深入研究并对材料特性作了最好的描 述，而后者许多材料作了不是很深入的研究，但对材料特性作了最好 的描述。这些数据库仍在不断更新和扩大，见参考文献 13,14。 这些数据库及其相关研究和试验,带来的主要收获是对复合材 料的疲劳机理的理解。深入的试验巳证明，如果有纤维含量超过临界 水平的地方,纤维结构和纤维含量会显著地降低疲劳寿命。类似的疲 劳寿命降低在构件细节部分也可发现,如在铺层数减少处、加强筋板 的粘接处、和夹层结构板端部。第一种典型情况见图 5。疲劳试验时, 玻璃铺层在铺层减数少处的分层是主要问题。数据表明，重要的强度 降低能发生于这种情况。数据还表明，一次仅仅减薄一层,大的降低 就能减少或避免。通过在关键位置减少一些铺层减薄,和在铺层减少 处的周围用较多连续铺层，就可能有进一步改进。我们应强调指出， 这里所用的试样比叶片试样的铺层薄。 按载荷谱加载的试验表明,像 Miner 法则这样的线性损伤评估 预测的寿命是过高的,(常与以等幅试验数据为基础预测的使用寿命差 10 倍)。此外，载荷谱数据曾显示，大量低振幅疲劳循环，这是典型 的作用于风机叶片的疲劳载荷谱，比以前想的更易发生破坏。 由于这些数据库不够用 欧共体又资助了新项目,名为 “最佳叶 ， 片”。此项目有一批欧洲单位参加(10 个科研单位，2 个认证单位，6 个工厂)。本项目计划进行 52 个月，投资 500 万欧元。6 项主要研究 任务是:变幅负荷，多向应力状态，极端环境条件，厚铺层和修复， 剩余强度和条件评价，设计建议。这些任务中心是,玻璃纤维和聚酯 复合材料的试验。本项目后期可能试验碳复合材料。这里许多任务与 美国现在的计划是并行的。特别注意的研究是变幅负荷，极端环境条 件，剩余强度。 对碳纤维复合材料的研究也巳开始。初步研究表明，从疲劳的 观点看，碳纤维的关键问题是纤维的平直度。小的不平直可导致疲劳 强度的大幅下降。制造工艺对碳纤维叶片是很关键的。 碳纤维 转子尺寸变大，促使设计者研究采用玻璃纤维复合材料以外的 复合材料。碳纤维就是已来到面前的一种。目前商业设计还主要限 于，选择性加强或在传统的叶片设计中成块地取代玻璃纤维。高风险 的创新设计，大多是政府基金资助的研发(与工业界合作)。 碳纤维在风力机叶片上的应用基本有三种方式:成块地代用承 载的玻纤材料，选择性加强，整个叶片全新设计。前二种情况，在不 同于常规的叶片设计中用碳纤维,可能比常规设计的叶片经济。第三 种情况，碳纤维提供创新设计的可能，提高性能并降低载荷。 用于叶片上，碳纤比玻纤有几方面明显优势:高模量(3 倍)，低 密度(2/3),较高拉伸强度，降低疲劳敏感度。明显的弱点是成本高， 但它可从重量减轻上抵消一些。早期试验结果表明，较低价的碳复合 材料的有关应变性能,特别是压力应变，与宇航级材料相比相差甚远, 它们对加强结构、制造方法、构件细节几何形状都非常敏感。用低价 预浸料(真空袋,无树脂流出),比较直的纤维制造的大丝束碳纤铺层的 基本的极限压缩应变大约是 1.0%-1.2%。低价纤维，用 RTM 工艺制 的较大丝束尺寸和较厚的铺层,得到极限压缩应变约为 0.6%-0.8%。 当叶片可承受时,预浸的压缩应变值，离损坏时的压缩应变值还有一 些裕度，可应付如纤维不直度、制造过程和构造细节引起的压缩强度 的下降。RTM 铺层只有很小的裕度。 早就认识到，纤维波纹和不平直，有可能造成压缩强度比其它 直纤维铺层大幅降低。以最小成本生产的叶片,有相对不均匀的微观 结构,特别易有这种缺陷。叶片的纤维波纹有三个原因:生产过程产生 波纹，由于浸渍过程树脂流动引起纤维漂移(图 3),在编织或缝制的织 物中固有的(图 4),缺陷和结构细节带来的纤维不直度(图 5)。 生产过程造成的波纹，如图 3 所示的，可以是整个厚度的，也 可是仅在表面上的。图中所示的严重情况，拉力和压缩性能都可降为 基值的一小部分,因为故障模式变为母体支配的。未被紧密约束的单 向织物，最易造成这种问题，但在无纤维漂移时也有大量近乎平直的 纤维。类似的纤维漂移也可呈若干形状发生在预浸铺层,这是由于固 化,如同园周定向铺层的管子情况。当打算生产最易处理和最不易变 形的单向织物时,会出现潜伏的穿透厚度的波纹，如同在小气泡上编 纱(weaving strand)一样,或如同将纱缝(stitching strand)到垫或别的 方向的铺层一样。即使织物形状引起的纤维不平直度不大，也使纤维 易于发生屈曲。 像玻璃复合材料一样，研究认为纤维不平直的起源是，与多种 瑕疵和结构细节相联系的。例证是铺层数减少处和铺层连接处,见图 5。数据证明主要强度降低发生于这种状况。还没做过有铺层数减少 处的碳材的疲劳试验。 图 3. 本研究所用的玻璃织物(上图)碳织物(下图) 图 4. 单铺层的平面内波形,RTM 工艺制的 Fortafil 652 碳 纤维/环氧铺层 图 5.含铺层减薄、节点、包含物的材料剖面图: (1)(3) RTM 工艺玻璃纤维,(4)-(7)碳纤 0 度预浸铺层一种解释是，玻璃纤维的经验表明：受损坏的往往不是外加物(additive)，所以编织物不一定会因铺层减薄 这类细节而增加受损。但这点还没在碳材上证实。 压力强度的另一因素是母体。环氧树脂比乙烯有机物(vinyl ester)树脂压力强度大 10%15%巳得到证明。这种铺层的压力疲劳 试验显示，与类似的玻璃铺层比,它耐疲劳较好。 总之,低价型的碳纤维铺层至今巳有的有限的数据，表示静力 极限压缩应变可能限制设计。能对纤维直度提供最大控制能力的工艺 方法受到偏爱，预浸料制造技术对碳纤维复合材料是最好的。如果设 计的较保守,在预浸料铺层因铺层减薄和节点(joints)形成的纤维不平 直，损坏时其降低值还可以接受。 其他材料 为使大叶片设计的更好，正迫使材料研究者重新考察 “老”材 料和 “新”材料(如碳材)。两种最有前途的是，S-玻璃和碳/木复合物。 大多数风力机叶片用 E-玻璃。它较强的兄弟是 S-玻璃。这种 特制玻璃纤维，原设计用于船上，比 E-玻璃性能好很多，但由于价 格贵而限制了在风力机叶片上的使用。随着转子的加大和 S-玻璃性 能的改进，成了碳纤维的代用物。它具有碳材的大多数优点，但没那 么贵。而且，由于风力机叶片工业对这种纤维的需求，这种纤维将大 量生产，S-玻璃价格将会大幅降低。 碳/木复合物也有其独特优点，适于制造很大的风力机叶片。 其最大的问题是，高质量贴面板(veneer)的供应。这种复合物的联接 也是项技术挑战。 设计概念的一些预期趋势 叶片几何形状 三叶、上风式转子成为转子主要构造形式以来，对叶片几何形 状发展，产生了重大影响，因为它为叶片挠度设置了限度。在重量轻、 价格低情况下,为了有效地提高刚性，驱使人们寻找更好的转子叶片 近根区叶型。这是设计难点，因为要求翼型在低雷诺数时有大升力, 这个目标与大结构厚度相冲突。更难处还在于要求叶片对污脏造成的 粗糙度不灵敏。早期的 SERI 和后来的 NREL 有特别目的的转子近根 区翼型涉及这些考虑，Delft 和其他单位近来进一步从事这方面的研 究。作者相信，采用大平尾缘的 “钝尾”叶型来提高升力，可获得更 多进展。促进这些开发的关键是恰当描述转子近根部的转动效应的规 则的改进和证实，它对升力系数最大化有很大影响,对粗糙度可能也 同样有影响。 转子近根区(inner rotor)的一个发展趋势目前还不明显，但可 能不久就会成较为普遍现象，即在最大弦长处有较长的等弦长段。预 见到这点是因为随着叶片增大,最大弦长会超过公路允许运输宽度。 当然，可以用接上一块小尾翼的办法,来恢复保持全弦长。但采用钝 尾翼形和限制最大弦长也可解决，这还能减少现场的工作困难和花 费。图 6 的翼形，在尾部有个平面,既保持了短弦又有厚度段。虽然 这是很高阻力翼形，但在清洁时还有高升力。因为在转子内圈位置， 性能所受影响甚微。注意尾缘的改进或控制表面，仍可能改善性能。 靠近叶片翼展 75 %的区域内,结构和气动有特别的技术要求。 这里，要求升力/阻力 L/D 高,通常意味要用中等厚度翼形。叶片最大 挠度发生在这里,增加厚度对提高刚度十分有效,而且重量小,成本 低。这里的要求就是要找到增加 t/c(厚度/弦长)后仍能保持高升阻比 的叶型，而且叶形对表面粗糙度尽可能不敏感，因为近尖区叶片弄脏 和磨蚀最易发生。 图 6.对近根区叶片进行结构特性 工艺性和性能的系统分析而提 、 出的钝尾缘叶型 增加塔隙的另一办法是，在制造叶片时预弯叶片的近尖区部 分。在最大或接近最大负荷时，这样的叶片将更直，从而增加了与塔 的间隙。这可能是很好的技术解决方法，但由于在厂房地面以上不再 保持等髙，将使把材料填入模具中的操作变得更加困难。预弯太大， 对运输也更困难 这二者都将增加成本 尤其对很大的叶片更是如此。 。 ， 扭转耦合的叶片(twist coupled blades) 风机叶片扭转，对攻角有直接影响，改变负荷和影响出功。这 种典型的变桨距控制，不仅用于风力机，也用于各种叶片机转子。当 浆矩变化的足够快时，它不仅影响平均负荷和功率，而且影响振动负 载和整个系统的疲劳寿命。即使叶片扭转角很小，也会有重要影响。 安装扭转叶片的目的是,在叶片弯曲和(或)伸直时,所谓气动弹 性适应，也提供增加吸收风能和平缓负载的可能。这种耦合动作，可 以是主动的也可以是被动的，被动方法更具吸引力，因为简单和经 济。例如，设计叶片可考虑弯曲和扭转的耦合,当叶片因气动负载而 弯曲时也能扭转，可在某种程度上改善气动性能。从实用观点，这种 耦合能因在叶片蒙皮和(或)梁上使用偏斜铺层(biased lay-ups)而有 效,下表面的偏斜方向和上表面的偏斜方向相反。 转子在湍流风中旋转的模拟表明，当扭转耦合的叶片逼近失速 时，增加了疲劳损坏。此外，在失速状态的一定风速范围，预示了失 速颤振。相反地，当有叶片向顺浆方向扭转时，疲劳损坏减少，也未 见失速颤振。在合理的耦合水平下，发生的典型颤振，增加的不过 分。 近来,对可控浆距变速叶轮，在湍流下进行动力学计算机模拟 的研究表明，向顺桨方向的扭转耦合，在所有风速下都明显减少疲劳 损坏，而不减少平均功率。最大负荷也适度降低。图 7 示出这种转子, 在有和没有扭转耦合时，平面外(out of plan)根部弯矩随时间变化的 试验记录。相反,对恒速失速控制和变速失速控制的转子，明显减少 疲劳损坏则仅见于低风速，高风速时减少很少。一般是,当转子运行 于线性气动范围(低风速失速控制和所有风速变桨距控制)能使疲劳 损失明显减少。这似为扭转耦合叶片的最有希望的前景，和继续努力 开发的动力。 图 7. 在平均风速 20 米/秒高湍流度条件下，变浆距变速叶轮无耦合 与扭转耦合叶轮，平面外叶根弯矩随时间变化的对比 叶片结构分析 现在 MW 级叶片设计，需要设计者在设计的早期就考虑叶片 结构。简单地根据气动性能决定叶片包络线巳不再实用。因为叶片结 构变为决定设计的重要根据，设计叶片必须更好地考虑气动和结构二 者的结合。叶片设计趋向更高的厚弦比 t/c，是这一努力的结果。 全叶片截面分析 分析者为了用较少的计算费用和快速调试时间，初步的结构分 析进行截面分析。这种方法视叶片为典型的梁,和平面截面仍是平面 的假设的全部有关结论。没考虑叶片壳结构的三维变形。截面分析常 用设计者编的自编程序进行截面分析。这些程序常带有精心制作的图 表。 NREL 巳开发了更全面的截面分析方法。给出叶片形状和设计 载荷，用极限强度和抗屈曲准则,计算承载复合材料铺层的厚度。对 叶片结构做一些假设，然而可随意规定抗剪腹板的数目。近来，此方 法巳得到改进，与气动性能软件联一起工作,以完成对叶片进行气动/ 结构优化的模拟。经分别努力，将优化截面分析和有限元分析(FEA) 联在一起，称为 NUMAD 的模型生成器的这项工作有了进展。这样, 许多 NUMAD/FEA 模型可能从截面分析提供的输入信息产生。截面 分析提供的优化叶片设计可能迅速转换为全三维 FEA 模型。 全叶片壳体模拟(full blade shell modeling) 叶片的全三维 FEA 能用于确定靠截面分析得不到的像截面翘 曲这样的非梁特性用壳单元模拟，预测局部变形、应力集中、和局部 屈曲强度。使用 FEA 的费用较髙，它可提供先进的或最终叶片设计 所需的细节。一般用大的、商业的 FEA 软件。美国风力机轮行业许 多单位用 ANSYS,Cosmos 和 Nastran。Numad 是 Sandia 国家试验 室开发的软件,大大简化了产生风力机叶片三维有限元模型的工作。 使用二次分层壳元,典型的叶片模型网格见图 8. 图 8. 用 NUMAD/ANSYS 产生的典型 FEA 模型 梁特性摘要(BPE)功能最近加到 NUMAD 里,使一维梁单元特 性可以加入 ADAMS,BLADED 或类似系统动力学和控制软件中一起 使用。这些一维梁单元必须准确代表全三维叶片的全部机械性能,包 括剪切变形,各种力和力矩间的耦合,弹性偏移，质量和剪力中心。以 前单靠截面分析取得全部信息的企图，曾使一些重要方面被近似或忽 略。 由全球能源概念和 Sandia 国家试验室开发的 BPE 计算方法 ， 用 FEA 从一组单位端部载荷解得出的位移结果,抽出当量梁单元的刚 度模型。然后用这个信息产生系统动力学模型的全部气动弹性模型。 如此，有成千上万自由度的高度详细的壳体模型就能用于取得只有数 十上百自由度的梁的当量梁特性。 叶根详细模拟 叶片的根部是高载荷和构造复杂的部位。大多数叶根联接件, 由用于联接浆叶和浆毂的很厚的复合材料构件中埋入的螺栓或 T 型 螺栓组成。每一个这种联接件，都给材料加上多轴应力,使复合材料 承受重要的剪负荷。没有详细应力分析，就须取大安全系数和使结构 冗余,以确保可靠联接。 T 型螺栓(见图 9 右)是大叶片根部联接最有效的方法之一，因 为没有粘结，寿命长。高强度螺栓(对 MW 级叶片有 3355 个)不易 产生腐蚀问题。柱状螺母起螺母作用,完成高强度机械另件的作用。 加预应力的螺栓传递负荷给衬套。 图 9. 子模型有限元网格(左)和连接图(右) 详细应力分析要用子模型(见图 9.左)。为得到高准确度，此模 型延伸到轴承，在这里园球和轴承保持架之间的接触,是用特殊节点 (nodes)之间的间隙单元和约束(gap elements and constraints)模拟 的。此分析也包括螺栓的预应力状态,它能用沿螺栓的应力负荷模 拟。三个子模型(螺栓头-铺层,螺栓底-轴承支承座,轴承支承座-轴承)中的接触应力，需用表面-表面或非线性的间隙单元特别处理。 最后，必须特别注意应力集中处的网格密度和使用的有限元类型。由 于复合材料叶根部的儿何形状和应力分布，更倾向用六面体单元而不 用四面体的。为了连接部位的耐久性，详细设计和选材时,需考虑预 测的详细应力状态。 全尺寸叶片试验 不可避免的，在制造阶段之前，对有些详细结构(接点、联接、 铺层数减少处等)、材料性能和制造工艺特点，不可能全部清楚。全 尺寸试验巳成为,减少生产中未发现的结构问题的风险的谨慎方法。 国际承认的 IEC88/102/CD 认证设计标准要求制造厂，在引入新设计 或新制造工艺时，要做叶片的静强度和疲劳试验。在丹麦,国家标准 规定风力机叶片认证，需做静力和疲劳试验。德国认证单位劳埃德则 只要求做静力试验。 静力试验是用于证明，叶片承受极限设计载荷的能力。乘以包 括全部需要的安全系数的最大负荷，用于叶展每一个基本负荷方向, 证明弯曲稳定性、叶片刚度和最大叶尖位移。此外，有的试验室建 议，用最大强度试验至破坏，来决定超出设计负荷的设计裕度，和 了解可能的破坏模式及破坏位置。虽然这是个好作法，但试验至破 坏是不需要的。静力试验加载，用液压作动器、吊车、绞车和其它 加载器。 疲劳试验是用来证明叶片在 2030 年寿命中，经得起其运行 设计载荷谱的能力。运行载荷谱包含十亿次循环负荷，它同时发生 于旋转平面(弦向)和垂直于旋转平面(拍打)。载荷谱压缩成当量破 坏载荷, 一百万至一千万次循环，