張鵬林，李梅，王汝姣，姜宜成

(蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050)

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風電葉片復合材料在三點彎曲過程中的聲發(fā)射研究*

張鵬林，李梅，王汝姣，姜宜成

(蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050)

摘要：為研究風電葉片復合材料損傷破壞的聲發(fā)射特性以及復合材料的力學性能，對含有纖維預斷試件和無纖維預斷的完好試件分別進行了三點彎曲力學性能試驗，并在加載過程中采用聲發(fā)射檢測儀實時監(jiān)測整個損傷破壞過程。對采集到的聲發(fā)射信號處理分析，便可獲得風電葉片復合材料的彎曲力學性能和損傷破壞的聲發(fā)射特性。試驗結果表明：玻璃纖維復合材料在彎曲載荷作用下出現(xiàn)典型的破壞特征包括纖維斷裂、纖維/基體脫膠和纖維分層。纖維預斷試件的聲發(fā)射信號波形最高幅度達到2.5 V，頻帶分布在20～300 kHz范圍；無纖維預斷試件的聲發(fā)射信號波形最高幅度為0.07 V，頻帶分布在10～180 kHz之間。

關鍵詞：風電葉片；玻璃纖維復合材料；三點彎曲測試；聲發(fā)射；力學性能

聯(lián)系人：張鵬林，副研究員，主要從事無損檢測新技術、無損評價等方面的研究

目前，環(huán)境和能源是人類生存面臨的兩大危機，無污染、可再生能源的開發(fā)迫在眉睫。風能作為一種環(huán)保無污染的新能源，日益受到重視[1]。風電葉片是風電機組中最重要的零部件之一，其造價大于風電機組整體成本的20%，一旦在運行過程中出現(xiàn)損傷，維修工作異常艱難，因此保證葉片質量安全可靠意義重大[2]。目前國內外使用的風電葉片都是由玻璃纖維復合材料制成的，這種材料具有優(yōu)良的綜合力學性能。然而，由于制造工藝的局限性以及實際操作的誤差等使得葉片內常出現(xiàn)纖維斷裂、纖維/基體分層、缺膠等缺陷。再加上葉片在野外惡劣的氣候環(huán)境下長期運行，難免會受到拉、壓、彎、扭等復雜載荷作用，這些載荷的累積將促使葉片結構破壞和玻璃纖維復合材料損傷的產生、擴大與惡化，最終導致風電葉片的失穩(wěn)破壞[3-4]。而葉片修復工作需要消耗大量人力和財力，而且會大大降低風電機組的工作效率，因此，尋求有效的檢測手段并及早發(fā)現(xiàn)葉片的安全隱患非常重要，以便于提前對葉片進行維護，避免重大事故的發(fā)生。

近年來，研究者對葉片采用無損檢測方法進行檢測。聲發(fā)射技術就是一種檢測葉片結構缺陷的有效的無損檢測方法[5]。聲發(fā)射是一種動態(tài)檢測方法，探測到的能量來自被測物體本身。聲發(fā)射對線性缺陷敏感，它可以探測到外加載荷下材料內部缺陷的發(fā)展狀況，可有效檢測復合材料的質量水平，評價缺陷的實際危害程度[6]。對加載過程中風電葉片復合材料，可使用聲發(fā)射檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測復合材料損傷破壞的聲發(fā)射信號，從而預防由未知缺陷引起的葉片嚴重失效，同時限定系統(tǒng)的最高工作載荷[7]。風電葉片復合材料中的纖維斷裂、基體開裂、分層、脫黏等都是重要的聲發(fā)射源，這些結構缺陷的擴展特征可以用采集到的聲發(fā)射信號的幅度、能量、振鈴累計數(shù)、持續(xù)時間、電壓有效值(RMS)和上升時間等聲發(fā)射特征參量以及時頻特征來描述，進而研究復合材料的損傷破壞過程，預測復合材料的最大承載能力，確定其薄弱區(qū)域[8]。近年來，國內外一些專家采用聲發(fā)射技術對風電葉片的損傷預報和結構健康監(jiān)測做了不少研究。P. A. Joose等[9]在風電葉片靜力和疲勞測試中應用聲發(fā)射技術，指出給定通道的不穩(wěn)定聲發(fā)射信號可以確定損傷區(qū)域，高振幅和高能量事件預示葉片失效。M. J. Blanch等[10]應用模式識別軟件對相似葉片進行完整度評估和損傷分級。但是對玻璃纖維復合材料的靜載破壞形式研究較少。為研究玻璃纖維復合材料靜載破壞的聲發(fā)射特性以及復合材料的力學性能，筆者對含有纖維預斷試件和無纖維預斷的完好試件分別做了三點彎曲試驗，并在加載過程中采用聲發(fā)射檢測儀實時監(jiān)測復合材料試樣的整個損傷破壞過程，然后對采集到的聲發(fā)射信號進行參數(shù)分析和小波分析，從而研究了玻纖復合材料在彎曲載荷作用下的承載能力和損傷破壞的聲發(fā)射特性。為風電葉片復合材料力學性能的研究做了大量實驗探索。

1　實驗部分

1.1主要原材料

玻璃纖維布：1 200 g/m，多向(纖維方向為+45°和–45°)：常州宏發(fā)縱橫新材料科技有限公司；

環(huán)氧樹脂：天津上緯風電材料有限公司。

1.2主要設備及儀器

電子式萬能材料試驗機：AG–X型，日本島津公司；

聲發(fā)射儀：SAEU2S型，北京聲華興業(yè)科技有限公司；

單端諧振式傳感器：SR150A型，北京聲華興業(yè)科技有限公司。

1.3試樣制備

在平板模具上鋪設12層玻璃纖維布，然后真空灌注樹脂，使樹脂浸透玻璃纖維布，加熱加壓固化，得到玻璃纖維復合材料。為實現(xiàn)纖維預斷缺陷，在鋪層時將表面5層纖維剪斷。將制作好的玻纖增強環(huán)氧復合材料經過機械加工，便可得三點彎曲試驗標準試件。所用玻纖增強環(huán)氧復合材料由中材科技(酒泉)風電葉片有限公司提供，板材厚度為7 mm。玻璃纖維復合材料標準三點彎曲試樣幾何尺寸根據(jù)GB/T 1446–2005設計，如圖1所示。

圖1　玻璃纖維復合材料三點彎曲試驗標準試件的幾何尺寸

1.4試驗方法

將三點彎曲試驗的標準試件安裝在萬能實驗機上，試件跨距為100 mm。傳感器用膠帶固定在試件兩端，傳感器間距為130 mm，傳感器與試件之間用凡士林耦合。試驗采用位移控制加載，加載速率恒定，為20 mm/min，連續(xù)加載，直至試件斷裂。試驗機開始加載的同時采用聲發(fā)射檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測并記錄試件在整個承載破壞過程中的聲發(fā)射信號。加載過程中，試驗設備的機械聲和試件與支撐柱之間的摩擦聲作為噪聲信號，會對有效信號的采集造成干擾，因此需要設置合適的信號采集閥值排除噪聲信號。經多次試驗測試，最終設定信號采集閥值為50 dB。圖2為玻璃纖維復合材料試件的三點彎曲試驗圖。

圖2　玻璃纖維復合材料的三點彎曲試驗圖

2　結果及討論

2.1風電葉片復合材料的力學性能及破壞特征

對表面5層纖維預斷試件和無纖維預斷的完好試件分別作了三點彎曲試驗。圖3為兩類試件三點彎曲試驗的載荷–撓度曲線。表面5層纖維預斷試件的彎曲過程持續(xù)時間t =133.735 s，最大彎曲載荷Fmax=4.208 4 kN。無纖維預斷試件載荷—撓度曲線的彎曲過程持續(xù)時間t =168.535 s，最大彎曲載荷Fmax=4.888 8 kN。從載荷–撓度曲線看，兩種試件從開始加載到最大載荷的過程中表現(xiàn)出良好的線性特征。表1給出了表面5層纖維預斷復合材料和無纖維預斷復合材料三點彎曲的力學性能。分析兩類試件的載荷–撓度曲線和彎曲破壞的力學參數(shù)可知：彎曲加載過程中，試件上下表面分別受壓縮和拉伸載荷的作用，并且最大應力出現(xiàn)在試件表面。在拉伸載荷作用下，下表面纖維斷裂的試件比完好試件先破壞，從而使下表面纖維斷裂試件的彎曲強度和剛度急劇降低。實驗結果表明，玻璃纖維復合材料表面纖維斷裂對復合材料的力學性能損害很大。

圖3　兩類預斷試件彎曲試驗的載荷–撓度曲線

表1　玻璃纖維復合材料三點彎曲的力學參數(shù)

圖4為表面5層纖維預斷試件和無纖維預斷的完好試件的彎曲破壞形貌。

圖4　玻璃纖維復合材料彎曲破壞的典型形貌

觀察兩類試件的斷口形貌可知，材料受拉側有明顯的纖維拔出現(xiàn)象，而受壓側斷口比較平整，無纖維拉拔痕跡。斷口區(qū)域較小范圍內還出現(xiàn)了發(fā)白現(xiàn)象，這是由于纖維/基體界面的樹脂被破壞，從而造成纖維分層現(xiàn)象。根據(jù)試件的斷口形貌特征可以判斷：玻璃纖維復合材料在彎曲載荷作用下出現(xiàn)的典型的破壞特征包括纖維斷裂、纖維/基體脫膠和纖維分層。

2.2聲發(fā)射信號參數(shù)特征

參數(shù)分析法是通過分析幅度、能量、振鈴計數(shù)、RMS、持續(xù)時間等聲發(fā)射特征參數(shù)來研究材料損傷過程的一種方法，是一種重要的聲發(fā)射信號分析方法。本試驗的玻璃纖維復合材料在彎曲過程中的聲發(fā)射信號的幅度、RMS、能量與時間的歷程圖，如圖5～圖7所示，從聲發(fā)射信號參數(shù)分布可以看出，玻璃纖維復合材料在彎曲破壞過程中的聲發(fā)射過程可以分為三個階段。

第一階段在0～20 s，是聲發(fā)射過程的起始階段?？梢钥吹郊虞d后立即有聲發(fā)射信號產生，不同的是，表面5層纖維斷裂的試件在該階段聲發(fā)射信號較少，幅值都很低。而無纖維斷裂試件在10 s以后聲發(fā)射信號變得豐富，幅度分布在50～100 dB之間；能量最高達到3.0×103mV·μs；RMS主要分布在1～1.5 mV范圍。這是因為從加載初期無纖維斷裂試件的表面應力急劇增大，從而使得纖維/基體的界面受到損傷，開始出現(xiàn)纖維/基體開裂。表面纖維斷裂的試件在該階段尚處于低應力狀態(tài)。

第二階段是損傷演化階段，纖維預斷試件在20～60 s左右，無纖維預斷試件在20～40 s左右。隨著應力的增加，纖維與基體的界面損傷進一步加劇，進而演化成為纖維分層，還會出現(xiàn)少量纖維斷裂。表面5層纖維斷裂的試件在該階段應力不斷累積，聲發(fā)射信號快速增加，幅度主要分布在50～70 dB范圍；能量主要在1 000～1 500 mV ·μs之間；RMS主要分布在1～3.5 mV之間，所有信號幅值都呈上升趨勢。無纖維斷裂試件在該階段信號異常豐富，幅值也較高，RMS達到12 mV，幅度主要分布在60～90 dB范圍，能量在1.0×103～22.5×103mV·μs，個別信號能量達到3.0×104mV·μs。該階段有纖維預斷試件的破壞剛開始，界面損傷、纖維分層等缺陷持續(xù)擴展。完好試件的破壞狀態(tài)迅速加劇，出現(xiàn)部分纖維斷裂。

第三階段是材料的斷裂階段。該階段復合材料中纖維/基體界面脫膠，纖維分層和纖維斷裂等損傷愈演愈烈，直至玻璃纖維復合材料試件徹底破壞。材料中大量的損傷破壞導致聲發(fā)射信號數(shù)量和幅值都急劇增加。有纖維預斷試件比完好試件提前破壞，而且纖維預斷試件在整個彎曲破壞過程中的聲發(fā)射信號比完好試件豐富。這再次表明有纖維斷裂試件在承受載荷時更容易破壞，而且破壞過程很劇烈。

圖5　兩類試件彎曲過程的聲發(fā)射幅度歷程圖

圖6　兩類試件彎曲過程的聲發(fā)射RMS歷程圖

圖7 兩類試件彎曲過程的聲發(fā)射能量歷程圖

圖8為彎曲過程中纖維預斷試件和無纖維預斷試件的振鈴計數(shù)在時間上的累積曲線。

圖8　兩類試件彎曲過程的振鈴計數(shù)累積曲線

從圖8可以看出，彎曲加載過程中，隨著材料損傷的加劇，兩類試件的聲發(fā)射活動不斷激烈化。而且振鈴累計數(shù)與載荷–時間曲線存在一定的對應關系，都隨時間呈線性增加趨勢。與纖維預斷試件不同，無纖維預斷試件的振鈴累積數(shù)在加載的起始階段劇烈振蕩，進入第二階段后才趨于近似直線的平緩增加。兩類試件的振鈴計數(shù)累積曲線的變化趨勢與之前分析過的聲發(fā)射參數(shù)特征以及試件的損傷破壞過程相吻合。

2.3聲發(fā)射信號的時域特征和頻域特征

纖維預斷試件在彎曲破壞各階段的聲發(fā)射信號均為突發(fā)型信號，波形幅值較大，信號頻帶分布較寬，而無纖維預斷試件為連續(xù)型信號，波形幅值較小，信號頻帶分布比較窄。圖9和圖10選取了兩類試件彎曲斷裂瞬間的聲發(fā)射信號時域圖和頻域圖。

圖9　纖維預斷試件的聲發(fā)射信號時域圖和頻域圖

圖10　無纖維預斷試件的聲發(fā)射信號時域圖和頻域圖

由圖9和圖10可知，在彎曲斷裂瞬間，纖維預斷試件的聲發(fā)射信號波形最高幅值達到2.5 V，頻帶分布在20～300 kHz范圍；無纖維預斷試件的聲發(fā)射信號波形最高幅值為0.07 V，頻帶分布在10～180 kHz之間。

2.4聲發(fā)射信號的小波分析

選用“db3”小波對玻璃纖維復合材料試件在彎曲破壞中的聲發(fā)射信號進行了5層小波分解和重構，圖11和圖12分別是纖維預斷試件和無纖維預斷試件在彎曲破壞中的聲發(fā)射信號小波分解后各尺度重構波形。其中a5是近似系數(shù)，d1～d5是各層細節(jié)系數(shù)。各層的頻率范圍為a5(0～15.625 kHz)，d5(15.625～31.25 kHz)，d4(31.25～62.5 kHz)，d3(62.5 ～125 kHz)，d2(125～250 kHz)，d1(250～500 kHz)。

圖11　纖維預斷試件的聲發(fā)射信號小波系數(shù)

圖12　無纖維預斷試件的聲發(fā)射信號小波系數(shù)

表3和表4分別給出了兩類試件的聲發(fā)射信號小波分解后各尺度能量并計算出各尺度能量百分比。由表3可知，纖維預斷試件在彎曲破壞中釋放的聲發(fā)射能量的84%集中在d4，d3和d2層，能量分量最大為28.53 mV·μs，因此，這三層信號最能代表纖維預斷材料加載破壞過程中的聲發(fā)射特性。

表3　纖維預斷試件的聲發(fā)射信號小波分解后各尺度能量

表4　無纖維預斷試件的聲發(fā)射信號小波分解后各尺度能量

分析表4中的數(shù)據(jù)可知，無纖維預斷試件在彎曲破壞中釋放的聲發(fā)射能量的64.5%集中在d2和d1層，能量分量最大為39.67 mV·μs。比較兩類試件的聲發(fā)射能量分量可知，無纖維預斷試件的最大能量分量大于纖維預斷試件的最大能量分量。這是因為聲發(fā)射監(jiān)測的是動態(tài)缺陷，纖維預斷材料中原本就存在損傷，在彎曲加載時產生較少的動態(tài)缺陷就能被破壞，因此釋放的聲發(fā)射能量較少，而完好的材料在加載過程中產生的動態(tài)缺陷較多，釋放的聲發(fā)射能量也相對較多。這個現(xiàn)象再次說明了完好材料的加載破壞過程比較復雜、困難，而表面纖維預斷試件比較容易破壞。

3　結論

(1)彎曲載荷作用下出現(xiàn)的典型的破壞特征包括纖維斷裂，纖維/基體脫膠和纖維分層。表面纖維斷裂的試件比完好試件先破壞，并且表面纖維斷裂試件的彎曲強度比完好試件低，從而可知，玻璃纖維復合材料表面纖維斷裂對復合材料的力學性能損害很大。

(2)加載初期無纖維斷裂試件的表面應力急劇增大，首先出現(xiàn)纖維/基體開裂。無纖維預斷試件的聲發(fā)射信號特征是：多為連續(xù)型信號，初始階段聲發(fā)射信號急劇增多，幅值較高，第二階段信號數(shù)量變少，幅值降低，斷裂瞬間又會出現(xiàn)高幅值、高能量的信號。纖維預斷試件的應力逐漸增大，聲發(fā)射信號是突發(fā)型信號，而且信號的數(shù)量和幅值也呈逐漸增大的趨勢，在斷裂瞬間信號幅值和能量都增加到最大。

(3)根據(jù)聲發(fā)射信號小波分解后的能量分布可知：無纖維預斷試件的能量分布比纖維預斷試件的能量分布集中，而且最大能量分量明顯大于纖維預斷試件的最大能量分量，由此可知完好材料的加載破壞過程比較復雜、困難，而表面纖維預斷試件比較容易破壞。

參 考 文 獻

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Acoustic Emission Research of Wind-power Blades Composites in Three Point Bending Test

Zhang Penglin， Li Mei， Wang Rujiao， Jiang Yicheng
(Lanzhou University of Technology， State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals， Lanzhou 730050， China)

Abstract：In order to study the characteristics of acoustic emission (AE) signals of wind-power blades composites in the process of damage，as well as the mechanical properties of composite materials. The fiber fracture specimens and intact specimens were respectively used to do the three point bending test. The acoustic emission instrument was applied to do real-time detection during the whole loading and damage process. By analyzing the collected AE signals，the mechanical properties of composites and the AE signal characteristics could be obtained. The experimental results show that typical damage feature of glass fiber composites under the bending load include fiber breakage，fiber/substrate debonding and fiber delamination. The highest amplitude of signal waveform of fiber fracture specimens is 2.5 V and the frenquency band is 20-300 kHz while the highest amplitude and frenquency band of specimens without fiber fracture is 0.07 V and 10-180 kHz respectively.

Keywords：wind-power blade；glass fiber composite；three point bending test；acoustic emission；mechanical property

中圖分類號：TQ323.5

文獻標識碼：A

文章編號：1001-3539(2016)04-0021-06

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.04.005

收稿日期：2016-02-05

*國家自然科學基金項目(51265025)