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德国劳氏集团(GLGroup)对风力发电机组叶片认证规范之技术要求概述德国劳氏集团吴强赵国彬朱国摘要：全球风力发电发展迅速，尤其是中国自2006年以来，装机总量日趋加速。据昀新数据统计，2008年中国新增装机容量名列世界第二，累计总装机跃居世界第四。面对国内风电行业如此之超常规发展，关于风力发电机组叶片(下称“风电叶片”或“叶片”)认证规范有必要为国内风电叶片生产厂家所熟悉。本文阐述了德国劳氏(GL)对风电叶片认证的技术要求。关键词：风电叶片纤维增强复合材料（FRP）风电叶片设计分析生产质量管理风电叶片样片测试前言:风力发电机组种类繁多，其中按照主轴与地面相对位置可分为垂直轴式（图1）与水平轴（图2）两种。目前被市场广泛使用的主流机型为水平轴式，德国劳氏（GL）对风电叶片的认证规范要求适用于水平轴式风力发电机组范畴叶片。图1垂直轴式图2水平轴式目前大型风力发电机组的叶片基本上采用E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、碳纤维以及木材（有关木材作为增强材料，本文不作探讨）等增强材料，通过开模手工铺放，预浸料或闭模树脂真空导入(RIM)等成型工艺复合而成。(可参阅“德国劳氏集团非金属材料认证中对叶片材料的认证技术规范要求”-中国风能2008年第6期)商业化风电叶片生产，目前除西门子宣布采用一次成型技术外，主流仍是以结构胶粘结、昀终合模成型的技术工艺（图3）。图3合模成型叶片结构是中空型，内部为加强龙骨（图4）。图4叶片结构剖面图（一个翼型端面）11.风电叶片生产基本要求1.1对叶片生产商的要求GL规范要求生产厂商应具备相应的能力,能够稳定而且持续地生产出质量符合设计要求的风电叶片产品。根据具体情况，GL对生产厂商进行现场审核,主要涵盖：-生产设施和设备-生产人员专业素质状况及培训计划-质量管理体系(QMS)确认其中质量管理体系（QMS)主要是以ISO9001为前提。通常情况下，厂商生产出的样片能够顺利通过各项检测，符合设计要求后，再通过GL现场审核，便可进入该型号叶片的批量生产。1.2对风电叶片生产工艺流程的要求叶片生产以其特有的加工工艺，尤其是纤维增强复合材料的制成品性能与其加工过程有着至关重要的关联，因此对风电叶片生产厂家的工艺要求也相应非常严格。其中需要控制环节概括如下：a.层压加工中的要求：-层压生产车间的温湿度-层压生产车间的照明，通风等-原材料存储条件，如温湿度等-加工过程中，工艺说明书的执行情况-层压制备方法-固化及后处理工艺-固化后的密封-叶片结构胶,粘结步骤及昀终合模成型b.GL对叶片生产厂家的工艺监控，主要涵盖：-原材料监管-生产过程管理要求(例如:50x50cm试验块留样)-产品质量检验1.3对叶片生产用原材料及叶片组件之层压板的实验测试要求a.叶片生产用原材料的要求首先，叶片生产用纤维增强复合材料（FRP）原材料应优先选用经过GL认证过的产品，这样可以为原材料供应，提供性能上基本稳定可靠的保证。其次，在叶片生产中，只有在确认材料性能的前提下才可被应用。主要材料如果有所变更，叶片生产厂商有义务向GL证明，其变更材料性能仍能满足并达到原设计对材料性能的要求。叶片材料以纤维增强塑料的复合材料（FRP）为主。通常主要材料可以分为以下几类：-基体树脂-纤维增强材料-预浸料-芯材-胶粘剂-油漆/胶衣(其中，有关GL对基体树脂，纤维增强材料认证要求，可参阅“德国劳氏集团非金属材料认证中对叶片材料的认证技术规范要求”-中国风能2008年第6期。针对其他原材料，GL规范要求之中文阐述，笔者另行编写中。)b.叶片组件之层压板测试要求：根据风电叶片的使用环境温度，GL将其分成两种条件运行环境：-30°C到+50°C之间和低于-30°C的情况。按照每种温度条件，GL规范中详细说明了叶片组件，层压板的测试方法及要求。2生产叶片用原材料之层压板实验测试见表1:表1.不同条件下层压板的实验测试要求结构胶的性能数据，至少包括在室温和+50℃环境中的拉剪测试，数据判断还应考虑其粘结处特性以及叶片不同部位的不同剪切应力τRk(以及扩展因子3.0)和疲劳应力τRd(以及扩展因子3.0)要求。为保证所有数据在设计过程的有效性，GL还规范了一些工艺条件，如复合材料中增强纤维与基体树脂的体积配比(30%-55%)，剪切模量或扰曲模量数值在不同温度下的变化比例范围(50℃测得值与23℃测得值比例变化不能超过20%)等。以上测试应在经GL认可的实验室进行，或该实验室具备相应资质，在GL的监证下完成。根据原材料特性情况，实验指标不尽相同,一般包括：玻璃化温度，抗张强度，失效应变，弹性模量，泊松比。所有数据应按相关国际标准(参见GL规范相关章节)实验并取平均值得出,有效期通常为4年。玻璃纤维增强层压板使用条件及测试要求1）-30°C到+50°C2）低于-30°C低于-30°C附加测试1热变形分析动态热机械分析(DMA)2拉伸测试-纤维水平方向拉剪测试3拉伸测试-纤维垂直方向拉伸测试-纤维垂直方向（昀低温度状态）4压缩测试-纤维水平方向拉伸测试-±45°层压板（昀低温度状态）5压缩测试-纤维垂直方向6拉伸测试-±45°层压板碳纤维增强层压板使用条件及测试要求1）-30°C到+50°C低于-30°C1拉伸测试-纤维垂直方向动态热机械分析(DMA)2压缩测试-纤维水平方向拉剪测试3拉伸测试-纤维垂直方向（昀低温度状态）2风电叶片设计分析GL规范中5.5章节(以及与其相关的章节)对叶片材料应变，结构力学,强度分析等作了详尽的阐述。整个强度验证过程以材料特征值Rk为基础，同时要满足结构设计应力值Sd(由设计载荷导出的应力值)小于材料(或由其制成组件)强度值Rd（Rd等于Rk除以材料分项安全系数γMx）即其中材料特征值Rk来自大量材料(或由其制成组件)的实验测试结果。如果设计过程中没有根据确认的纤维增强复合材料（FRP）特征值Rk作为设计依据,那么至少“1.3b”中的材料测试必须进行,所获得的数据必须在设计付诸生产前得以验证(即证明材料或及其制成组件至达到了用于设计验证的特征值)。2.1特征值计算特征值Rk一般使用以下计算公式进行计算：其中3Ui=正态分布%n=实验次数x=实验结果平均值υ=n实验结果的变异系数通常在实际测试中标准偏差为5%，并且置信区间为95%时，则以上公式可转化为:2.2材料分项安全系数材料分项安全系数γMx数值可分为以下几种情况:–短期强度验证(x=a),–疲劳强度验证(x=b),–稳定性分析(x=c),–粘合强度分析(x=dandx=e).这个参数的数值表现为分项安全系数γM0乘以一个或数个折减换算系数Cix:对所有分析条件，分项安全系数γM0=1.35。Cix取值在不同验证模型、不同条件下进行变化,可直接引用下列系数，也可从实验测试中获得:a.短期强度验证折减系数:1.35(老化影响),1.1(温度影响),1.1(工艺过程,如预浸料,闭模树脂真空导RIM),1.2(工艺过程,如手糊、手工铺放),1.0(后固化成型),1.1(无后固化成型)b.疲劳强度验证折减系数:N1/m(载荷循环次数N和斜率K的高周期疲劳强度曲线，m由分析S-N曲线得出，或参照“2.2.4”疲劳分析)，1.1(温度影响),1.0（单向纤维增强材料），1.1（纤维增强无纺布或单向纤维增强材料织布），1.2（织布或毡布），1.0(后固化成型),1.1(无后固化成型)，1.0-1.2尾缘:1.0(水平于叶片弦面方向疲劳测试),1.1(有限元计算),1.2（按伯努利理论的计算）c.稳定性验证折减系数:(见“2.3.3a”)d.粘合强度剪切验证折减系数:1.5(老化影响),1.0(温度影响),1.1(工艺过程,粘合面可再塑性),1.0(后固化成型),1.1(无后固化成型)e.粘合强度疲劳验证折减系数:1.0(普通),1.1(温度影响),1.1(工艺过程,粘合面可再塑性),1.0(后固化成型),1.1(无后固化成型)2.3强度分析强度分析既可以用应变验证又可以用应力验证,对于后者,应额外建立昀大载荷点处的应变来证实没有超过失效极限。2.3.1纤维失效分析付诸实施之设计应力值(由设计载荷导出的应力值)Sd可以直接用于分析受到拉伸、压缩、剪切载荷的区域。2.3.2纤维(层)间失效分析(IFF)4在验证允许失效应力和在纤维水平方向与垂直方向(即横向应力)以及剪切应力失效时，应该采取纤维(层)间失效分析(IFF)。特征值参数按照折减系数(γMA*CIFF)减少,但γMA*CIFF必须不小于1.35。对于验证所需要的横向应力值可由计算（有限元分析）或者实验得出。CIFF数值大小由纤维层间产生△F来决定。目前，比较通用的纤维(层)间失效分析方法为VDI2014或Puck以及蔡-吴理论等,其中尤以Puck被广泛公认(图5)，因为它包含了各种失效模型，垂直纤维方向的拉伸、压缩，并且结合拉伸、压缩与剪切都可以有不同的分析。图5Puck模型失效模型相对于纤维方向的失效模型A剪切与横向拉伸B剪切伴随横向压缩C横向压缩伴随剪切表2失效模型对于失效模型A和B，纤维(层)间失效安全系数值为1.35到1.98之间，对失效模型C,纤维(层)间失效安全系数值为1.98到2.64之间。较低安全系数值只可在单层失效分析中使用，一旦多于一层失效并且因此影响组件刚度下降超过5%时，应使用较高安全系数值进行分析。除GL规范中要求对纤维层间失效进行分析外，其它规范或者标准均未提出此类要求。2.3.3稳定性分析受压或受剪切区域的稳定性(抗屈曲和摺皱)应以满足付诸实施之设计应力值(由设计载荷导出的应力值)Sd进行验证。a.稳定性验证折减系数:1.1(考虑了模量分散性的大层压板和夹芯结构的表面层),1.3（考虑了模量分散性芯材），1.0（纤维增强无纺布或单向纤维增强材料织布），1.2（适用于验证过昀小特征值的芯材），1.1(温度影响)如果利用有限元进行稳定性分析，附加安全系数1.25应该考虑进去。安全系数1.633可以应用在材料刚度平均值上来计算组件抗力设计值。对于那些通过计算进行验证的实际结构不能详细分析的区域,所采用的假定和估算应偏保守。2.3.4疲劳分析叶片认证按照GL规范颁发证书的情况下，不需要对叶片进行疲劳试验，但是要对叶片材料(或由其制成组件)本身进行计算校验。材料在周期载荷条件下发生性能(例如强度和刚度)损失称为材料疲劳破坏。叶片材料为复合材料构成，复合材料性质为不均一,各向异性的材料，因5此在疲劳分析时较为复杂。对于层压板不连续部位,应考虑作用力的作用点和大的载荷循环数。叶片所有的临界断面，叶片根部以及载荷引入区域都要求进行疲劳分析。疲劳分析是以S-N疲劳曲线为分析依据，在已知R因子前提下，循环次数N通常在疲劳S-N曲线描绘得出(图8)。σmax昀大应力，σmin昀小应力，图6典型的完整周期应力σm平均应力，σa应力振幅，σmax昀大应力，σmin昀小应力，R应力比，∆σ应力范围=2σa。图7几种典型的R值R=0.1拉伸-拉伸，R=-1完全翻转，R=10压缩-压缩图8疲劳S-N曲线图当特定材料由疲劳S-N曲线得出很多组R比的时候，疲劳试验数据绘制成（Goodmandiagram）古德曼应力极限图(图9)。图9古德曼应力极限图举例由古德曼应力极限图分析，可以决定在一定的应力应变范围内，允许负荷循环的次数,图形表示为以下公式，用来计算昀终允许负荷循环次数N。6εa=应变循环振幅εmean=应变循环平均值γMa=极端载荷分项安全系数γMb=疲劳载荷分项安全系数εchT=极端载荷应变，拉力特征值εchC=极端载荷应变，压缩特征值m=S-N斜率古德曼应力图可以用于确定给定应变下的许用载荷循环次数,它能用于损伤累计计算.损伤的定义是:施加的载荷循环数与许用载荷循环数商的总和,其必须小于或等于1,即D=损伤ni=某级应变变程作用的载荷循环数Ni=某级应变变程许用的载荷循环数当叶片材料(或由其制成组件)之层压板没有积累出疲劳S-N曲线时，GL规范中给出疲劳验证中经验数据N1/m,其中m值分以下几种情况:a．玻璃纤维增强聚脂树脂m=9