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风电叶片复合材料层间剪切破坏声发射监测

来源:核心论文发表 所属分类:电子论文 点击:次 时间:2020-03-26 08:39

  摘要:采用声发射技术对含分层缺陷风电叶片多轴向复合材料的层间剪切破坏实验进行实时监测,研究分层缺陷对复合材料层间力学性能的影响规律及其损伤破坏过程的声发射响应特征。结果表明,具有不同分层面积的两类复合材料试样破坏载荷相近,当分层缺陷位于剪切面中间位置时,分层缺陷大小对界面承载能力影响不大,损伤演化主要集中在剪切面上偏离中心两侧的区域;随着分层缺陷面积的增加,声发射撞击累积数有上升趋势,声发射相对能量、幅度分布、撞击源定位信号与剪切面上偏离中心两侧高应力区域的损伤破坏过程相对应。

风电叶片复合材料层间剪切破坏声发射监测

  关键词:风电叶片;复合材料;分层;层间剪切;声发射

  玻璃纤维增强复合材料的比强度、比模量高,抗疲劳性能好,广泛用于风电叶片制造等新能源产业。为提高风电叶片在弯扭等复杂载荷作用下的综合力学性能,复合材料的增强相一般采用单向和多轴向玻璃纤维。受制造工艺等随机条件的影响,风电叶片制造过程中难免会出现分层、缺胶等结构缺陷,从而引起实际风况下风电叶片结构的损伤累积和失稳破坏1-2Jo此外,L.C.Overgaard等通过对风电叶片的静力测试,发现叶片的最终强度主要受分层等不稳定因素的影响,随着这些不稳定因素的协同作用,最终导致风电叶片的失稳破坏。可见,风电叶片界面分层缺陷的损伤累积将导致其整体力学性能的严重退化。

  声发射检测技术对动态缺陷敏感,在裂纹萌生和扩展的过程中能实时发现,通过记录的声发射特征参数可以有效地反映复合材料各阶段的变形损伤机制,从而可以全面、深人地了解复合材料的损伤破坏过程[4-6j~近年来,国外相关学者相继开展了声发射技术在风电叶片的早期损伤预报和结构健康监测方面的应用研究。A.G.Dutton等在风电叶片静力、疲劳和剩余强度的IEC认证测试中,采用声发射技术对损伤进行定位和特性分析,指出高幅值和高能量声发射事件的出现预示着叶片的失效。A.A.Anastassopoulos等针对风电叶片认证测试中监测的声发射信号,进一步提出模式识别系统。F.S.Bent等开展了风电叶片远程结构健康监测的相关研究,提出近海风电叶片实时监测的可行性。此外,R.K.Goutham等¨还提出了基于声发射监测的SNS结构神经系统,用于实时监测风电叶片静力加载过程。总体上看,这些研究工作主要集中在风电叶片损伤的早期发现、定位和损伤严重程度分级,对含分层缺陷风电叶片复合材料损伤破坏声发射监测方面的实验研究较少。

  笔者以含分层缺陷的风电叶片多轴向复合材料为研究对象,对其进行层问剪切实验,采用声发射技术全程监测复合材料试样加载破坏过程,确定复合材料在层间剪切条件下的力学性能及其相应的声发射响应特征,揭示分层缺陷对层间界面承载能力的影响规律,为风电叶片复合材料结构的早期损伤预报和健康监测提供参考依据,为风电叶片检测标准与认证体系的形成奠定基础。

  1实验部分

  1.1主要原材料

  风电叶片多轴向玻璃纤维环氧预浸料:KT900。单层厚度为1mm,威海光威复合材料有限公司。

  1.2主要仪器与设备

  平板硫化机:XLB-D400型,商丘市东方橡塑机器有限公司;

  微机控制电子万能试验机:CMT5305型,深圳市新三思材料检测有限公司;

  全波形声发射仪:AMSY-5型,德国华伦公司。

  1.3试样制备

  将风电叶片多轴向预浸料裁剪成280mm×200mm尺寸,在平板模具上铺设4层后,放入平板硫化机加热、加压固化,制得厚度约为3.6mrn的层合板,如图1所示。在铺设预浸料时,预先按图1指示的位置将相应的两层切断,并用塑料薄膜隔开以防粘结,形成层间剪切面,分层缺陷预置在剪切面的中间位置。最后将层合板切割成宽度为25mm的长条形试样,两种试样的分层缺陷尺寸分别为20mmx25mm和40mmx25mn]。

  1.4力学力口载与声发射监测

  风电叶片复合材料试样的层问剪切实验在万能试验机上进行,采用位移控制加载,试验机的加载速率为2mm/min。在试样加载过程中,同时利用声发射仪实时监测并记录整个加载过程中的声发射信号。试样加载与传感器布置如图2所示。

  实验采用两个频带宽度为100~450kHz的声发射传感器,中心频率为150kHz,采样频率为5MHz。传感器与试样之间用凡士林耦合,然后用胶带将传感器固定在试样上,2个传感器的间距为120mlTl,声发射监测过程中声发射信号采集阀值设为46dB。

  2结果与讨论

  2.1试样加载力学性能与声发射响应特征

  复合材料层间剪切试样的拉伸载荷一声发射相对能量一时间历程如图3所示。

  由图3可知,分层缺陷尺寸为20mm×25mm和40millX25mm试样的破坏载荷相近,分别为15.4kN和15-3kN。力学实验结果表明,当分层缺陷位于剪切面中间位置时,分层缺陷大小对界面承载能力的影响不大,说明损伤演化主要集中在剪切面上偏离中心两侧的区域,而位于剪切面中间的区域处于低应力状态,该区域上的分层缺陷对界面力学特性的作用不明显。

  由图3a可以看出,在试样加载初始阶段,声发射相对能量较低,说明承载剪切面损伤较少;随着载荷的增加,开始出现相对能量为3000左右的声发射信号,且声发射信号逐渐增多,直至试样最终破坏。由图3b可以看出,相对能量为3000左右的声发射信号出现得较早(与图3a相比,),且从加载到最终破坏的时问历程较短。说明随着分层缺陷面积的增加,剪切面的有效承载面积减小,界面损伤演化的作用区域相对集中,从而较早出现典型的分层损伤声发射信号。

  图4为典型复合材料试样的破坏特征。由图4可以看出,试样层间剪切破坏模式明显,未出现明显的纤维损伤和断裂,这与图3未出现与纤维断裂相关的较高相对能量声发射信号相对应。

  复合材料试样的声发射幅度一撞击累积一时问历程如图5所示。依据图5a声发射信号撞击累积数和幅度的变化情况,可将整个过程划分为起始演化阶段和破坏阶段两部分。由图5a可以看出,在试样加载起始演化阶段,幅度在60~80dB的声发射信号(矩形虚框内区域)较少,且该阶段声发射撞击累积数的变化很小。随着载荷的增加,撞击累积数明显增加,直至试样发生层问剪切破坏。由图5b可以看出,在试样加载起始演化阶段,幅度在60~80dB的声发射信号明显增多(矩形虚框内区域);在破坏阶段,声发射撞击累积数增加更快,撞击累积总数更多。表明由于分层缺陷面积的增大,剪切面损伤演化的区域减小,对应的分层损伤出现得较早且作用明显。

  2.2声发射源定位

  复合材料试样层问剪切破坏过程的声发射撞击信号定位图如图6所示。设置试样的剪切面总长为160mm,两个声发射传感器的间距为120mm。由图6a可以看出,20mmX25mm分层缺陷试样的声发射源定位主要分布在剪切面上偏离中心两侧的区域。401TI1TI×25mm分层缺陷试样(图6b)的声发射源定位表现出相似的特性。结合图3复合材料试样界面力学性能的分析,进一步说明损伤演化主要集中在剪切面上偏离中心两侧的高应力区域,剪切面的承载能力由该区域决定。由于剪切面上中间部位的分层缺陷处于低应力状态,且没有明显的声发射源定位信号,使剪切面上中间位置分层缺陷的大小对界面承载能力影响不大。综上所述,剪切面上分层缺陷的大小及其所处的应力状态是综合评价界面承载能力的依据。

  3结论

  (1)当分层缺陷位于剪切面中间位置时,分层缺陷大小对界面承载能力影响不大,损伤演化主要集中在剪切面上偏离中心两侧的区域。

  (2)随分层缺陷面积的增加,声发射撞击累积数呈上升趋势,声发射相对能量、幅度分布、撞击源定位信号与剪切面上偏离中心两侧高应力区域的损伤破坏过程相对应。

  风电叶片复合材料层间剪切破坏声发射监测相关期刊推荐:《工程塑料应用》(月刊)创刊于1973年,由中国兵器工业集团第五三研究所、中国工程塑料工业协会、中国兵工学会非金属专业委员会、兵器工业非金属材料专业情报网主办。报道国内外工程用树脂、塑料及其复合材料、功能材料等高分子材料的研究、开发、加工与应用等方面的科研成果及技术改进经验。

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