风力涡轮机叶片涂层的环境老化与雨水驱动侵蚀

《Mechanics of Materials》：Environmental Ageing and Rain-Driven Erosion of Wind Turbine Blade Coatings

　　

摘要
本研究提出了一种多物理场损伤框架，将用于风力涡轮机叶片（WTB）的多层保护涂层的环境降解与重复雨滴冲击引起的机械疲劳结合起来。WTB 的雨蚀模型通常忽略多种降解机制，特别是环境老化现象。在此，通过预测由热光氧化和水解老化引起的每层涂层的刚度损失和强度降解来模拟服役条件。这是通过求解每层的局部热传导、水分扩散和紫外线（UV）衰减微分方程，并获得厚度方向的温度、湿度和 UV 梯度来实现的。降解后的材料性能作为耦合欧拉 - 拉格朗日（CEL）有限元分析和随机降雨场景的输入，以计算雨滴产生的冲击压力，随后进行疲劳分析。雨滴侵蚀由冲击 - 疲劳模型预测，该模型通过连续损伤力学考虑涂层损伤，通过内聚力区公式考虑界面脱粘。结果表明，老化加速了涂层 - 腻子（粘合剂）界面的损伤，在各冲击速度下使失效冲击次数减少约 10–30%。与雨滴冲击侵蚀实验数据集的对比验证确认了该框架的预测能力。本研究贡献了一种评估保护涂层长期性能的统一方法论，支持增强抗侵蚀性和耐用性的设计策略。

章节片段 引言
近年来，大规模复合结构（特别是风力涡轮机叶片）的部署显著增加。这些叶片依赖于一种先进的聚合物多层涂层，即在基于环氧树脂的腻子之上覆盖聚氨酯（PU）面漆，两者均通过环氧树脂粘合剂粘结到复合层板或基材上，以提供前缘抗侵蚀性、疏水性和 UV 稳定性。随着海上和高 altitude 安装的增长，保护涂层必须承受

理论框架
风力涡轮机叶片中聚合物涂层的长期性能受化学老化和机械响应之间复杂相互作用的支配。本节为通过基于物理的本构框架捕捉这些耦合过程奠定了理论基础。第 2.1 节介绍了结合未老化、热氧化、光氧化和水解老化网络应变能贡献的公式化方法，其中降解动力学由

控制材料降解的参数
准确预测多层涂层系统中的环境老化，需要可靠的材料参数来描述内在传输特性和降解动力学。水分扩散率、热导率和 UV 衰减决定了环境应力源在各层之间的空间分布，而粘弹性常数和内聚力强度决定了载荷下的机械响应。热氧化、光氧化和水解的速率是

环境老化与雨滴诱导侵蚀的数值实现
前面章节开发的理论框架被转化为有限元（FE）设置，以模拟真实服役环境下聚合物保护涂层的渐进降解。实现过程在 ABAQUS 中使用多层模型进行，该模型捕捉了热氧化、光氧化和水解老化的耦合影响。环境驱动因素，温度、UV 强度和表面水分浓度被规定为深度 -

未老化样本的模型验证以及与老化样本的比较
本节展示了第 2 节 理论框架 和第 4 节 环境老化与雨滴诱导侵蚀的数值实现 中概述的所提出框架的验证，采用第 3 节中提出的材料参数。将研究结果与文献中报道的 F?ster 等人（2021）的雨蚀测试（RET）研究和 Kuthe 等人（2025）的数值研究进行了对比。该模型还复现了 IEA Wind TCP 任务 46 LEE 中编目的损伤形态。

环境暴露对性能降解的影响
图 10 说明了在六个月的模拟期内，环境驱动因素（水分、UV 辐射和温度）在多层层涂层 - 粘合剂 - 腻子系统中的侵入和空间分布。（a）显示了水分浓度的演变，其中从暴露表面扩散导致水分在涂层、粘合剂和腻子中渐进积累，并随时间接近平衡值。（b）描绘了遵循比尔 - 朗伯定律的 UV 强度衰减，其中

结论
这项工作开发了一个计算框架，以预测 WTB 中多层保护涂层在环境老化和机械疲劳下的使用寿命。热光氧化和水解老化降解了涂层的机械性能，雨滴冲击诱导的疲劳损伤了涂层及其界面。该框架捕捉了传统模型通常忽略的协同降解途径。老化增加了每次滴落的位移

CRediT 作者贡献声明
Nikesh Kuthe：写作 - 初稿，可视化，验证，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Leon Mishnaevsky Jr.：写作 - 审查和编辑，项目管理，资金获取。Puneet Mahajan：写作 - 审查和编辑，监督，资源，项目管理，资金获取。Suhail Ahmad：写作 - 审查和编辑，监督

未引用参考文献
Bahrololoumi 等人，2021 年。

数据可用性声明
支持本研究结果的数据可在合理请求下从通讯作者 [PM] 处获得。

符号说明
增量疲劳损伤
循环次数增量
来自 S-N 曲线的材料常数
来自损伤与循环次数曲线的材料常数
最大和最小 von Mises 应力
MPa
应力三轴性函数（单轴加载时为 1）
应力比
失效总循环次数
损伤和疲劳损伤
本构刚度损失
未损伤

利益冲突声明
? 作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本报告中工作的客观性。

致谢
L.M. 感谢 Velux 基金会通过项目 PREMISE“防止离岸风能产生的海水微塑料污染”（https://premise.dtu.dk/）提供的财政支持。作者感谢丹麦外交部的财政支持，其支持是在 Danida 拨款 19-M02-DTU“风能开发的维护与修复策略”框架下提供的。

Nikesh Kuthe|Puneet Mahajan|Suhail Ahmad|Leon Mishnaevsky
印度理工学院（哈乌兹卡斯），应用力学系，新德里 110016 印度