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0 引言
事故分析是一個(gè)極為有價(jià)值的工程實(shí)踐活動(dòng)，無論是在產(chǎn)品/部件的設(shè)計(jì)過程中，還是在事故發(fā)生后，都是如此。作為對(duì)產(chǎn)品/部件進(jìn)行堅(jiān)固性的設(shè)計(jì)工具，“失效模態(tài)及其影響力分析”（簡(jiǎn)稱FMEA）是保證項(xiàng)目開發(fā)和產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)強(qiáng)有力工具，因此這種分析手段正被廣泛地應(yīng)用于當(dāng)今的制造業(yè)中，事實(shí)上，F(xiàn)MEA分析過程遵循了美國質(zhì)量管理先導(dǎo)者戴明先生所指出的一套極為有效的路徑：即計(jì)劃—行動(dòng)—核實(shí)—具體實(shí)施—再計(jì)劃—再行動(dòng)⋯⋯。這是一個(gè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計(jì)不斷認(rèn)識(shí)和改進(jìn)的循環(huán)（或稱之為PDCA 循環(huán)）。它最早在50 年代用于航空業(yè)，其后60 年代又被NASA（美國航天宇航局）采用，直到80 年代被用于汽車工業(yè)當(dāng)中。這里所采用的FMEA（逆向）將給我們對(duì)發(fā)生在中國汕尾紅海灣風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)失效性分析提供一個(gè)指導(dǎo)性路徑。其間該風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)經(jīng)受了2003 年臺(tái)風(fēng)“杜鵑”的襲擊，造成了9 臺(tái)風(fēng)機(jī)葉片損壞。通過這種分析，失效的潛在原因及機(jī)理、失效的影響力、失效的結(jié)果和事實(shí)以及風(fēng)機(jī)葉片整體功能的喪失都得到了相應(yīng)的剖析。
1 從風(fēng)流邊界層及其特性看破壞的宏觀原因
我們知道，流體在流過平板時(shí)靠近平板表面有一個(gè)流體邊界層，同樣的在低海拔范圍內(nèi)，地球表面流動(dòng)的大氣也有類似的效果。這部分低海拔大氣層就稱為“邊界層”。在邊界層中，流體的速度隨邊界層高度的增加而增加。也就是說在地球邊界層中，風(fēng)速也隨離地表高度的增加而增加。這類自然現(xiàn)象簡(jiǎn)稱為“風(fēng)切變”。值得指出的是，在下文所提到的大多數(shù)風(fēng)力活動(dòng)均指在地球邊界層當(dāng)中的活動(dòng)，那么丘陵與山脈等就成這邊界層的表面“粗糙度”了。地球邊界層的特性對(duì)認(rèn)識(shí)風(fēng)機(jī)所遇到的湍流現(xiàn)象是很有幫助的。
相比于風(fēng)力的旬周期和日周期變化，那么風(fēng)的湍流則指的是風(fēng)在相對(duì)短的時(shí)間中其速度的波動(dòng)變化，通常這種時(shí)間是以分、秒甚至更短來計(jì)的。在熱帶氣旋情況下，應(yīng)該說這種變化的時(shí)間周期小于10 秒。也就是說在臺(tái)風(fēng)中風(fēng)湍流的變化頻率是很高的。因此，它對(duì)風(fēng)機(jī)葉片有著十分顯著的影響。2003 年臺(tái)風(fēng)“杜鵑”中所損壞的一些葉片便證明了這一點(diǎn)。
風(fēng)的湍流主要起因于地球表面“粗糙度”及其“摩擦阻力”。湍流過程固然復(fù)雜，人們也不能簡(jiǎn)單地用一個(gè)確定的方程去描述它，但是它們還是遵循一些物理定理的，比如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒。
對(duì)湍流描述的一個(gè)最基本方式是：湍流強(qiáng)度。它是由風(fēng)速變化的標(biāo)準(zhǔn)方差與其平均風(fēng)速相除來表示的。湍流強(qiáng)度明顯地取決于如上所述的地球表面邊界層的“粗糙度”以及海拔高度等。所處的區(qū)域越“粗糙”，那么湍流強(qiáng)度就越高，所以說湍流強(qiáng)度高的地方，其風(fēng)速就相對(duì)低一些，這是受動(dòng)量和能量守恒所制約的。這種情形下湍流區(qū)域有較大的氣流混合與動(dòng)量轉(zhuǎn)換活動(dòng)。
有了上述的分析，我們便會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)所處地球邊界層內(nèi)的風(fēng)流環(huán)境特性在遭遇臺(tái)風(fēng)時(shí)有個(gè)基本的判斷，這也是紅海灣風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)葉片受損的外部環(huán)境因素（外因）分析。
2 風(fēng)機(jī)葉片部件組成邏輯圖：
 部件構(gòu)成圖為我們的失效性分析勾畫了一個(gè)清晰的邏輯結(jié)構(gòu)流程，它有助于我們分析和認(rèn)識(shí)蘊(yùn)藏于此結(jié)構(gòu)的失效原因，無論是局部的還是整體的，如上圖所示，影響葉片整體強(qiáng)度以及振動(dòng)的因素有很多，從主梁到表面蒙皮（即翼殼）的材質(zhì)甚至到粘接材料和制造質(zhì)量等。
3 葉片的剛性、共振特性、荷載以及疲勞
自70 年代以來，大多數(shù)水平軸風(fēng)機(jī)的葉片都是由復(fù)合材料制成的，最常用的復(fù)合材料是預(yù)應(yīng)力玻璃剛塑料（GRP）。從結(jié)構(gòu)上來講，復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)在于他們有較高的強(qiáng)度—重量或剛度—重量比以及較長的運(yùn)行壽命等。我們知道，剛性—重量比決定著葉片的固有頻率，同時(shí)剛性強(qiáng)也將極大地影響葉片的形變。
具體地講，楊氏彈性模量、結(jié)構(gòu)及部件的設(shè)計(jì)、葉片材料的選用以及制造質(zhì)量都是決定葉片總體剛性的主要因素，通過對(duì)具有特定剛性的葉片的模態(tài)分析，人們可以確定一些主要固有頻率及其形變和振動(dòng)方向束。這種分析又叫振型分析。
根據(jù)于午銘先生在其相關(guān)論文中所述，從地形上來講，九個(gè)所損壞的風(fēng)機(jī)都處在復(fù)雜的丘陵地形區(qū)域中。如上所述，即使是在正常的運(yùn)行情形下，風(fēng)流通過該區(qū)域的時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生一些尺度較大的湍渦流，這些湍渦流會(huì)增加風(fēng)流的變化，或者說是風(fēng)的湍流強(qiáng)度，因此增加了對(duì)風(fēng)機(jī)主要部件的疲勞程度。所以說，處于此地形當(dāng)中的風(fēng)機(jī)將因此經(jīng)受著比平原地區(qū)更為嚴(yán)峻的工況條件。特別是在經(jīng)受熱帶氣旋的時(shí)候。從邊界層的角度來講，該區(qū)域的“粗糙度”也達(dá)到了較高的量值。
當(dāng)風(fēng)流變化的頻率接近風(fēng)機(jī)葉片的固有頻率時(shí)，就會(huì)激起葉片的共振，這對(duì)一個(gè)剛性葉片來講，就是一個(gè)荷載了，本文把這次熱帶氣旋——臺(tái)風(fēng)“杜鵑”大風(fēng)急湍流變化所帶來的葉片共振表述為葉片的極端疲勞荷載，這是一個(gè)非運(yùn)行荷載。通過下述對(duì)葉片失效的調(diào)查性分析，我們將會(huì)看到這類荷載對(duì)風(fēng)機(jī)葉片所造成的損害。
眾所周知，一些材料可以經(jīng)得起一次較重的荷載，但卻經(jīng)不起重復(fù)施予其上的輕荷載。因?yàn)檫@種重復(fù)循環(huán)的應(yīng)力和應(yīng)變將導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的破壞直至斷裂。S—N疲勞圖就是用來描述疲勞應(yīng)力及其疲勞次數(shù)關(guān)系的圖。實(shí)驗(yàn)表明，和蠕變損壞不同的是：由疲勞帶來的斷裂應(yīng)力小于材料的實(shí)際屈服應(yīng)力，疲勞循環(huán)次數(shù)越多，其失效的應(yīng)力也就越小。
4 失效性分析
根據(jù)對(duì)損壞的9 個(gè)葉片的觀察，我們注意到，所有葉片的主大梁及前緣表面均無斷裂，從另一方面講，這一事實(shí)證明了葉片的主大梁基本上承受住了由臺(tái)風(fēng)“杜鵑”帶來的劇烈的動(dòng)態(tài)沖擊。具體來說，葉片的襟翼向和后緣向的彎曲振動(dòng)是可以忽略的。因?yàn)榇藭r(shí)這類中空葉片的較高的抗彎剛性使得葉片的彎諧振頻率遠(yuǎn)高于由風(fēng)湍流產(chǎn)生的激振頻率。但是這9 個(gè)葉片的后表面蒙皮（即翼殼后沿）受到了損壞，為什么呢？我們知道，實(shí)際的風(fēng)機(jī)葉片在此時(shí)另外會(huì)受到扭諧振，當(dāng)風(fēng)流變化所帶來的激振荷載強(qiáng)勁而又與該葉片的固有頻率相同時(shí)，再加上極為重要的一點(diǎn)，即當(dāng)葉片的設(shè)計(jì)和制造存在缺陷時(shí)。注意，此時(shí)這類扭諧振就是施予葉片的極端疲勞荷載。
關(guān)于疲勞損壞的原因是復(fù)雜的，但還是可以用最簡(jiǎn)單的想象把疲勞損壞看作為緣于極小裂紋的生長開始，這類失效的機(jī)制顯然是因?yàn)槿~片表面的極小的區(qū)域受到了局部集中應(yīng)力的影響，這個(gè)局部集中應(yīng)力又遠(yuǎn)大于粘接葉片翼后緣膠的粘合平均應(yīng)力以及葉片蒙皮復(fù)合材料的平均應(yīng)力。當(dāng)這類較高的切應(yīng)力反復(fù)作用時(shí)，就導(dǎo)致了極微裂痕的形成，這些極微裂痕又會(huì)進(jìn)一步延伸至粘膠層內(nèi)部和葉片蒙皮的相鄰區(qū)域中去，最終導(dǎo)致粘膠和復(fù)合蒙皮強(qiáng)度的降低。宏觀結(jié)果是上下蒙皮匯合處的后翼沿開裂以及葉片蒙皮斷裂。葉片蒙皮的整體性剛度因此受到損壞。此外，這類復(fù)合材料較低的楊氏彈性模量和主梁、蒙皮間較差的膠粘接強(qiáng)度一同導(dǎo)致了蒙皮的鼓包斷裂。這類鼓包斷裂在此次極端失效中起著相當(dāng)?shù)闹鲗?dǎo)作用，同時(shí)應(yīng)該指出的是本次破壞活動(dòng)還有嚴(yán)重的二次破壞現(xiàn)象。注意，扭諧振是關(guān)于葉片主梁對(duì)稱的，這可以用來解釋為什么大多數(shù)葉片的損壞發(fā)生在翼的上下兩側(cè)的原因。
至于每臺(tái)受損風(fēng)機(jī)為什么只有一只葉片遭到破壞的原因是以下三個(gè)因素同時(shí)作用的結(jié)果：
1．風(fēng)機(jī)葉片的固有頻率（葉片的諧振方向）；
2．風(fēng)湍流的激振（風(fēng)的變化方向）；
3．葉片的位置使其自身的諧振方向與來風(fēng)的諧振方向一致。
對(duì)于最后一個(gè)條件一旦某葉片恰好占據(jù)了恰當(dāng)?shù)奈恢?，那么另外兩個(gè)葉片便沒有可能在這360°范圍擁有同一位置了?？偟膩碇v，恰當(dāng)?shù)牟牧蟿傂?、恰?dāng)?shù)臅r(shí)間以及恰當(dāng)?shù)奈恢茫瑳Q定了只能有一個(gè)葉片受損。
到目前為止，我們得出結(jié)論，臺(tái)風(fēng)“杜鵑”在復(fù)雜地形區(qū)域/丘陵地帶中所帶來的風(fēng)湍流激起了處于恰當(dāng)位置的那一葉片的扭諧振是葉片損壞的決定性原因之一。另一方面，自葉片蒙皮幾何結(jié)構(gòu)的損壞起，葉片的空氣動(dòng)力學(xué)功能便隨之喪失。進(jìn)一步來講，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功能也因此不復(fù)存在。同時(shí)還注意到，在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中來自于運(yùn)行態(tài)和非運(yùn)行態(tài)的疲勞荷載都是至關(guān)重要的。
為了定性地探討，扭矩荷載下的變形，斷裂和斷裂的相關(guān)位置，作者特別制作了一個(gè)小比例紙制葉片，其中有一中空塑料主梁。該紙制葉片也曾于一貫流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)之中，以探討其振動(dòng)和失效的演變。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都是概念性模擬并對(duì)此次失效分析的研究有著一定的幫助。
5 關(guān)注與討論
我們知道，剛性——重量比決定葉片的固有頻率，因此葉片設(shè)計(jì)的最重要的目標(biāo)之一就是去避開諧振，也就是除去施予風(fēng)機(jī)葉片上的極端疲勞荷載。因此在這種情形下，扭轉(zhuǎn)剛度的改善應(yīng)該集中在以下幾個(gè)方面：
1．主梁結(jié)構(gòu)：尤其是在接近于葉根處的大面積中空和葉片上半部的剛性的處理。
2．主梁與蒙皮的粘接：包括兩個(gè)方面——所采用的膠以及制作過程，如殘余應(yīng)力的控制等；
3．翼后沿的粘接：粘合方式以及加工過程。
再次重申，本分析主要集中在風(fēng)機(jī)葉片的極端荷載以及它的形成上，包括從風(fēng)湍流到葉片受激諧振和它的結(jié)構(gòu)失效機(jī)理。此分析并沒有包括風(fēng)機(jī)非工作情況下的控制方法，如偏航和停車等。 |
