0 引言
    事故分析是一個極為有價值的工程實踐活動，無論是在產品/部件的設計過程中，還是在事故發生后，都是如此。作為對產品/部件進行堅固性的設計工具，“失效模態及其影響力分析”（簡稱FMEA）是保證項目開發和產品質量的一個強有力工具，因此這種分析手段正被廣泛地應用于當今的制造業中，事實上，FMEA分析過程遵循了美國質量管理先導者戴明先生所指出的一套極為有效的路徑：即計劃―行動―核實―具體實施―再計劃―再行動。這是一個對產品質量和設計不斷認識和改進的循環（或稱之為PDCA循環）。它早在50 年代用于航空業，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當中。這里所采用的FMEA（逆向）將給我們對發生在汕尾紅海灣風電場的風機葉片的結構失效性分析提供一個指導性路徑。其間該風場的風機經受了2003年臺風“杜鵑”的襲擊，造成了9臺風機葉片損壞。通過這種分析，失效的潛在原因及機理、失效的影響力、失效的結果和事實以及風機葉片整體功能的喪失都得到了相應的剖析。
1 從風流邊界層及其特性看破壞的宏觀原因
    我們知道，流體在流過平板時靠近平板表面有一個流體邊界層，同樣的在低海拔范圍內，地球表面流動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，風速也隨離地表高度的增加而增加。這類自然現象簡稱為“風切變”。值得指出的是，在下文所提到的大多數風力活動均指在地球邊界層當中的活動，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認識風機所遇到的湍流現象是很有幫助的。
    相比于風力的旬周期和日周期變化，那么風的湍流則指的是風在相對短的時間中其速度的波動變化，通常這種時間是以分、秒甚至更短來計的。在熱帶氣旋情況下，應該說這種變化的時間周期小于10 秒。也就是說在臺風中風湍流的變化頻率是很高的。因此，它對風機葉片有著十分顯著的影響。2003 年臺風“杜鵑”中所損壞的一些葉片便證明了這一點。
    風的湍流主要起因于地球表面“粗糙度”及其“摩擦阻力”。湍流過程固然復雜，人們也不能簡單地用一個確定的方程去描述它，但是它們還是遵循一些物理定理的，比如質量守恒、動量守恒、能量守恒。
    對湍流描述的一個基本方式是：湍流強度。它是由風速變化的標準方差與其平均風速相除來表示的。湍流強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。所處的區域越“粗糙”，那么湍流強度就越高，所以說湍流強度高的地方，其風速就相對低一些，這是受動量和能量守恒所制約的。這種情形下湍流區域有較大的氣流混合與動量轉換活動。
    有了上述的分析，我們便會對風機所處地球邊界層內的風流環境特性在遭遇臺風時有個基本的判斷，這也是紅海灣風場風機葉片受損的外部環境因素（外因）分析。

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2 風機葉片部件組成邏輯圖：

部件構成圖為我們的失效性分析勾畫了一個清晰的邏輯結構流程，它有助于我們分析和認識蘊藏于此結構的失效原因，無論是局部的還是整體的，如上圖所示，影響葉片整體強度以及振動的因素有很多，從主梁到表面蒙皮（即翼殼）的材質甚至到粘接材料和制造質量等。

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3 葉片的剛性、共振特性、荷載以及疲勞
    自70年代以來，大多數水平軸風機的葉片都是由復合材料制成的，常用的復合材料是預應力玻璃鋼塑料（GRP）。從結構上來講，復合材料的優點在于他們有較高的強度―重量或剛度―重量比以及較長的運行壽命等。我們知道，剛性―重量比決定著葉片的固有頻率，同時剛性強也將極大地影響葉片的形變。
    具體地講，楊氏彈性模量、結構及部件的設計、葉片材料的選用以及制造質量都是決定葉片總體剛性的主要因素，通過對具有特定剛性的葉片的模態分析，人們可以確定一些主要固有頻率及其形變和振動方向束。這種分析又叫振型分析。
    根據于午銘先生在其相關論文中所述，從地形上來講，九個所損壞的風機都處在復雜的丘陵地形區域中。如上所述，即使是在正常的運行情形下，風流通過該區域的時候都會產生一些尺度較大的湍渦流，這些湍渦流會增加風流的變化，或者說是風的湍流強度，因此增加了對風機主要部件的疲勞程度。所以說，處于此地形當中的風機將因此經受著比平原地區更為嚴峻的工況條件。特別是在經受熱帶氣旋的時候。從邊界層的角度來講，該區域的“粗糙度”也達到了較高的量值。
    當風流變化的頻率接近風機葉片的固有頻率時，就會激起葉片的共振，這對一個剛性葉片來講，就是一個荷載了，本文把這次熱帶氣旋――臺風“杜鵑”大風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，這是一個非運行荷載。通過下述對葉片失效的調查性分析，我們將會看到這類荷載對風機葉片所造成的損害。
    眾所周知，一些材料可以經得起一次較重的荷載，但卻經不起重復施予其上的輕荷載。因為這種重復循環的應力和應變將導致其結構的破壞直至斷裂。S―N疲勞圖就是用來描述疲勞應力及其疲勞次數關系的圖。實驗表明，和蠕變損壞不同的是：由疲勞帶來的斷裂應力小于材料的實際屈服應力，疲勞循環次數越多，其失效的應力也就越小。

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4 失效性分析
    根據對損壞的9個葉片的觀察，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，這一事實證明了葉片的主大梁基本上承受住了由臺風“杜鵑”帶來的劇烈的動態沖擊。具體來說，葉片的襟翼向和后緣向的彎曲振動是可以忽略的。因為此時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高于由風湍流產生的激振頻率。但是這9個葉片的后表面蒙皮（即翼殼后沿）受到了損壞，為什么呢？我們知道，實際的風機葉片在此時另外會受到扭諧振，當風流變化所帶來的激振荷載強勁而又與該葉片的固有頻率相同時，再加上極為重要的一點，即當葉片的設計和制造存在缺陷時。注意，此時這類扭諧振就是施予葉片的極端疲勞荷載。
    關于疲勞損壞的原因是復雜的，但還是可以用簡單的想象把疲勞損壞看作為緣于極小裂紋的生長開始，這類失效的機制顯然是因為葉片表面的極小的區域受到了局部集中應力的影響，這個局部集中應力又遠大于粘接葉片翼后緣膠的粘合平均應力以及葉片蒙皮復合材料的平均應力。當這類較高的切應力反復作用時，就導致了極微裂痕的形成，這些極微裂痕又會進一步延伸至粘膠層內部和葉片蒙皮的相鄰區域中去，終導致粘膠和復合蒙皮強度的降低。宏觀結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度一同導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的主導作用，同時應該指出的是本次破壞活動還有嚴重的二次破壞現象。注意，扭諧振是關于葉片主梁對稱的，這可以用來解釋為什么大多數葉片的損壞發生在翼的上下兩側的原因。
    至于每臺受損風機為什么只有一只葉片遭到破壞的原因是以下三個因素同時作用的結果：
    1．風機葉片的固有頻率（葉片的諧振方向）；
    2．風湍流的激振（風的變化方向）；
    3．葉片的位置使其自身的諧振方向與來風的諧振方向一致。
    對于后一個條件一旦某葉片恰好占據了恰當的位置，那么另外兩個葉片便沒有可能在這360°范圍擁有同一位置了。總的來講，恰當的材料剛性、恰當的時間以及恰當的位置，決定了只能有一個葉片受損。
    到目前為止，我們得出結論，臺風“杜鵑”在復雜地形區域/丘陵地帶中所帶來的風湍流激起了處于恰當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，自葉片蒙皮幾何結構的損壞起，葉片的空氣動力學功能便隨之喪失。進一步來講，風機的運行功能也因此不復存在。同時還注意到，在風機設計過程中來自于運行態和非運行態的疲勞荷載都是至關重要的。
    為了定性地探討，扭矩荷載下的變形，斷裂和斷裂的相關位置，作者特別制作了一個小比例紙制葉片，其中有一中空塑料主梁。該紙制葉片也曾于一貫流風機產生的風場之中，以探討其振動和失效的演變。這兩個實驗都是概念性模擬并對此次失效分析的研究有著一定的幫助。

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5 關注與討論
    我們知道，剛性――重量比決定葉片的固有頻率，因此葉片設計的重要的目標之一就是去避開諧振，也就是除去施予風機葉片上的極端疲勞荷載。因此在這種情形下，扭轉剛度的改善應該集中在以下幾個方面：
    1．主梁結構：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：包括兩個方面――所采用的膠以及制作過程，如殘余應力的控制等；
    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機葉片的極端荷載以及它的形成上，包括從風湍流到葉片受激諧振和它的結構失效機理。此分析并沒有包括風機非工作情況下的控制方法，如偏航和停車等。