风力机叶片裂纹尖端温度场数值模拟

王琳琳 ，陈长征 ，周 勃 ，张亚楠

1 引言

随着环境和能源问题的日益严峻，可再生能源的发展，尤其是风力发电已越来越重视。叶片是风力机能量转换的主要部件，有叶片和轮毂组成的风轮是能量捕获机构，并将风能转变为机械能，叶片有是风力机力源，主要承载部件，对整个风力机安全运行起着关键作用[1]。风力机叶片是玻璃纤维环氧树脂复合材料，它具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已被广泛应用到很多领域。但其生产中会经常出现各种各样的微缺陷（如微裂隙、微空洞等），而这些微缺陷会随着叶片复合材料的周围环境、受载情况变化产生裂纹萌生、扩展最后使材料断裂损伤。裂纹萌生后，微裂纹处不可逆的局部塑性变形导致裂纹萌生区温度急剧升高，大部分塑性功转化为热能，会以热的形式释放出来，从而使裂尖出现热传导形成温度场。因此，风力机叶片疲劳裂纹扩展是一个热耗散的过程，而裂纹内部温度场的变化反映材料的疲劳损伤过程。

大多数学者对材料的Ⅰ型、Ⅱ型裂纹有深入研究，但是实际工程问题中，受力构件不一定是对称的，载荷也不一定是对称的或反对称，构件中裂纹尖端的应力场，Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型的应力场可能同时存在，裂纹的形式也是各种各样的，因此裂纹经常处于三种基本类型或任意二种基本类型的复合变形条件下[2]。复合型裂纹与单纯张开型裂纹扩展主要在于裂纹不按原裂纹原方向扩展，而且失稳条件很复杂等特点，所以分析研究复合型裂纹的温度场是至今较难的课题。……