叶片是风电机组结构抗风设计和运行维护的难点，在20年的预计使用寿命期间，要经历约1亿次以上的载荷循环。由于运行环境恶劣，同时承受各种复杂载荷的共同作用，叶片很容易发生损伤破坏，其中疲劳破坏是典型的破坏形式之一。因此，对海上风机叶片的疲劳特性进行研究具有非常重要的意义。
海上风机疲劳问题
疲劳破坏实则是结构零部件在交变荷载作用下，局部高应力区较弱的晶粒出现滑移形成微裂缝，随着循环加载的进行，微裂缝沿着滑移带方向发展逐渐形成宏观裂缝，最后构件表面材料小片脱落直至构件断裂的过程。构件因出现疲劳破损而丧失正常工作性能的现象称之为疲劳失效，疲劳强度是指构件或者材料抵抗疲劳失效的能力。
与传统的静强度破坏相比较，疲劳破坏主要存在以下几点特征：其一，在交变循环荷载作用下，发生疲劳破坏时构件的应力并没有达到材料的极限应力；其二，疲劳失效是一个由量变转化为质变的过程，对材料的损伤是一个随时间累积的过程，但无论是对何种材料，疲劳破坏在宏观上均表现为无明显变形特征的低应力脆性断裂，从而导致疲劳破坏具有极大的危险性；其三，在交变载荷作用下，疲劳破坏表现出缺口敏感性特征，也是应力集中现象，构件发生疲劳破坏部位区域往往是在局部高应力区，并不会涉及构件材料的疲劳极限，因此，可以在设计时对高应力区采取相应的措施来增加整个结构的寿命；其四，可以根据断口特征判断是否属于疲劳破坏，疲劳破坏的断口可以看见明显的裂纹源区、裂纹扩展的光滑区域以及发生突然断裂时的粗糙断面区域。
风力机机组在运行过程中主要发生机械疲劳，机械疲劳按循环应力的大小可以分为应力疲劳和应变疲劳。在循环应力水平较低时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿命较长，称为应力疲劳或高周疲劳；在循环应力水平较高时，塑性应变占主导作用，这时疲劳寿命较短，称为应变疲劳或低周疲劳，因此，叶片不仅受到高周疲劳的应力破坏还受到低周疲劳的应变破坏。机械疲劳按作用载荷的幅度和频率又可分为常幅值、变幅值及随机疲劳，常幅值疲劳常用于材料疲劳性能试验和疲劳分析方法的实验研究中；变幅值疲劳是指循环应力的幅值发生变化，而频率不变的应力作用下产生的疲劳；随机疲劳是指循环应力的幅值和频率都随机发生变化的作用下而产生的疲劳，由于风力机载荷复杂具有交变形和随机性，因而叶片上的载荷是变化的，风力机疲劳主要是随机疲劳。与此同时，海上风力机疲劳还应考虑风速、风向及波浪、潮流、腐蚀等环境因素影响。此外，风力机叶片的疲劳断裂涉及到扰动载荷的循环作用、叶片材料缺陷的形成和扩展、风力机使用环境因素的影响以及每一个循环应力幅的大小和局部应力集中等现象，问题的复杂性显而易见。
图1 海上风机叶片疲劳断裂
疲劳特性基本理论
疲劳用来描述材料在循环载荷作用下的损伤和破坏，引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远小于根据静强度分析出来的安全载荷。因此，理解疲劳的相关理论是研究结构疲劳的前提。疲劳寿命估算方法有无限寿命设计法、安全寿命设计法、破损安全设计法、损伤容限设计方法等。对风力机叶片来说，无限寿命设计法和安全寿命设计法是目前国内和国外普遍采用的方法。无限寿命设计法是材料可以承受无限次(一般在10的6次方至10的7次方)循环应力作用，不发生疲劳破坏，此时，S-N曲线都有一条水平渐近线，水平渐进线相对应的应力就是疲劳极限应力。安全寿命设计方法是根据实验得到的S-N曲线进行设计，此法是要所设计的结构在一定安全期内不会出现裂纹，使叶片在规定的安全期内降低叶片疲劳破坏的机率，但一般安全寿命的设计应力高于材料的疲劳极限，所以不可以通过验算最大应力是否超过等幅疲劳极限来评估设计的合理性，而需要按Miner的线性累计损伤准则估算损伤。
为了评价和估算疲劳寿命或疲劳强度，需要建立结构应力范围S和疲劳寿命N之间关系的曲线叫S-N曲线。一些常用的金属材料可以通过实验测定，然而很多复合材料力学性能更加复杂，很难通过实验测定，例如玻璃钢复合材料一般没有明显的疲劳极限，当循环次数达到次量级时，S-N曲线仍趋下降，因此，一些学者提出了以玻璃钢S-N曲线中长寿命区的经验公式替代实测曲线。
图2 典型S-N曲线
在加载条件为恒幅的情况下，很多材料的S-N曲线在超过约次疲劳循环数时会趋于水平，而当应力幅值低于此水平时，认为试件可以承受无限多次循环而不破坏，此应力幅值被称为疲劳极限。随着循环次数增加，剩余疲劳强度和剩余刚度也在不断下降，这时可以定义一个较大的循环数，而对应于此循环数的应力水平则被称为条件疲劳极限。
影响结构疲劳寿命的因素有很多，按照疲劳机理可将影响疲劳寿命的因素简单分为以下几类：
（1）工作条件，比如所加外荷载的影响，风力机在实际工程中的受力状态是十分复杂的，而风力机叶片的叶根区域是容易发生疲劳破坏的部位，叶根受力状态是一种多轴应力状态。
（2）零件的状态，比如应力集中的影响，在循坏载荷作用下局部的应力状态则决定了整个构件的疲劳寿命，如果在构件内部存在某个应力集中部位则这个部位便是整个构件的薄弱环节。
（3）试件尺寸的影响，通过试验研究表明，试件尺寸越大，试件的疲劳强度越小，产生这种影响主要是由于同处于均匀应力场的大小试件，大试件初始损伤源较多，大试件的应力集中程度比小试件更加严重。
海上风机叶片的疲劳性能
风电机组的各组成部分中，风机叶片是将风能转换成机械能的关键部件，是风电机组的核心部件之一，其结构强度和稳定性对机组的可靠性起着重要作用。在叶片结构设计中，不仅要确保风力资源的有效利用，而且要确保其在设计和运行范围内安全可靠地运行，通过合理选用桨叶，获得优良的气动性能，实现对负荷和应力的有效控制，从而达到风能最大化利用及降低疲劳失效的目的。
由于风力发电机工作环境十分复杂，工况变化较大，在叶片结构设计时，应充分考虑构件的交变载荷和构件的疲劳性能。叶片的疲劳寿命估计中包含了大量的不确定性因素，使得其模型的建立和数值计算变得更加复杂，同时也使得叶片的疲劳分析变得更加困难，因此，目前很少采用既简单又可靠的工程估算方法。
对于FRP叶片，疲劳分析应考虑叶片及根端结构。为了增强桨叶的强度和刚度，避免局部不稳定，目前的桨叶主要是由主梁和气动壳体组成，主梁承受了大部分的弯矩，而箱体在满足空气动力特性的同时，还承受了一部分的载荷。叶片和轮毂的结合使得叶片呈悬臂梁的形状，叶根接头的受力主要是由FRP剪切、挤压或胶接剪切强度所决定的，而FRP的抗拉强度比FRP的抗拉强度要低，所以FRP的最易发生在叶根处，叶根是设计叶片结构的关键。
除上述结构因素之外，叶片在工作过程中还可能受到沙粒冲刷、紫外线照射、大气氧化与腐蚀、海洋潮湿空气的腐蚀等因素的综合作用。这些因素的作用可能会使复合材料结构不可避免地产生诸如脱层、纤维断裂等各种损伤，加之复合材料叶片在成型工艺过程中可能产生的质量不稳定性和复杂性，也可能造成其他初始损伤，这些损伤的产生、扩展和演化对复合材料叶片的安全和可靠使用造成极大的影响和威胁，并将直接影响复合材料结构的使用寿命，也加速了叶片的疲劳破坏。为此，通常会采用全尺寸风机叶片疲劳测试，确认设计的可靠性。
疲劳寿命分析首先要了解构件的载荷情况，风力机叶片所承受的载荷包括确定性和随机性载荷。与气动力有关的载荷均应视为随机载荷，理想稳定状态几乎不存在，但由于风力机工况范围较大，随机响应分析仍有局限性，因此，可把叶片上的荷载简化为确定性的。确定性载荷又可分为瞬时和周期性的，典型的瞬时荷载如叶片受阵风以及控制机构产生的起动、停车、紧急刹车、变矩等，这些载荷出现的次数在整个叶片寿命中占的比例不多，在叶片疲劳分析中可忽略；周期性载荷主要有风剪、塔影、侧风和偏航率等引起的气动荷载和重力、陀螺力矩和惯性力等机械载荷。对于上风向风力机和非大风速失速状态，塔影和侧风等气动载荷的影响可忽略；在机械载荷中，陀螺力矩与转速、偏航率及叶片惯量成比例，大型风力机采用机械偏航机构，偏航率较小，故陀螺力矩不大，疲劳分析时可忽略。
现有技术中，一般将叶片沿翼型截面厚度方向的弯曲运行称为挥舞运动，而沿其弦长方向的弯曲运动称为摆振运动。现有叶片的动态疲劳试验的具体方法是将叶片叶根固定在试验台后，通过在指定截面安装激振装置，使叶片分别进行沿挥舞和摆振两个方向进行一定数目一定振幅的循环往复运动，使相应截面达到疲劳损伤的目的，从而验证叶片在挥舞方向和摆振方向承受疲劳载荷的能力。随着风电机组单机装机容量的增加，叶片的尺度也不断加大，叶片变得更柔更长；伴随着叶片变长变柔，扭转疲劳载荷对叶片的影响会越来越大，验证扭转疲劳载荷下的叶片安全性也变得愈加必要。
结语
叶片是海上风电机组的核心部件，随着风电机组的日益大型化，叶片的尺度持续加大。为保证具有足够的强度和刚度，同时最大程度减轻结构重量，叶片的设计制造正越来越多地应用复合材料。由于复合材料力学特性复杂，大尺度叶片本身的结构特性也发生了明显变化，叠加大量不确定性因素，如何科学有效地评估大尺度复合材料叶片疲劳特性是海上风电领域面临的一个重要课题。
