沈 臣，周 勃，李 菲，張雪巖

(1.沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽110870；2.沈陽工業(yè)大學 建筑與工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 前言

風能作為可再生的清潔能源受到越來越多的人重視，風力機發(fā)電成為風能綜合利用的形式之一，風力機葉片是大型風力機組中捕獲大量風能最直接核心的重要部件，葉片的壽命直接影響風能的利用效率與風電場的運營成本[1-2]。在整個風力機葉片中，主梁結構是主要的承載力的機構，其鋪層比較厚，在制作過程中就有可能產(chǎn)生褶皺、氣泡等各種缺陷，從而導致主梁力學承載能力明顯下降。其產(chǎn)生原因分為在鋪設過程中可能出現(xiàn)的一層或者幾層扭曲變形形成的褶皺缺陷和各鋪層間有夾雜而導致的褶皺缺陷兩種情況。而風力機葉片是整個機組的關鍵部件，壽命通常在20年以上，而且還要面對復雜工況的載荷，因此褶皺缺陷對風力機葉片來說都存在致命的危險[3-5]。

針對復合材料褶皺缺陷力學性能的影響，國內(nèi)外已有相關文獻報道。卓鵬采用開孔壓縮強度對不同寬高比褶皺的復合材料試樣進行測試，以此來衡量褶皺對復合材料性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)開孔壓縮強度下降了約21%～24%，表明褶皺缺陷對試樣的性能有較大的影響[6]。針對風力機葉片復合材料，文獻[7]對褶皺高寬比為0.1的風力機葉片復合材料進行循環(huán)加載試驗，研究表明對于存在褶皺的試驗件，疲勞循環(huán)載荷隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增多，平均值、極值、載荷幅值都明顯降低。文獻[8]通過對褶皺缺陷機理，褶皺缺陷產(chǎn)生原因和修復技術等進行了分析研究，并提出一些預防措施，希望能夠有效地減少褶皺缺陷，提升風力機葉片鋪層質量。文獻[9]運用仿真和有限元的方法，分析了復合材料褶皺對性能的影響。文獻[10]從不同角度研究和分析了褶皺缺陷對復合材料性能的影響，結果表明，不同角度的褶皺對試件的受力分布有一定的影響。文獻[11]分析了纖維波紋對大型復合材料結構的影響以及對復合材料影響最大的波紋尺寸，并通過強度分析對試件波紋尺寸進行預測。文獻[12]通過波紋對復合材料性能影響的實驗對試件進行三點彎曲試驗，從而得到波紋對復合材料力學性能的影響，并最終預測出失效載荷和損傷的位置。綜上所述，本文將制作不同褶皺高寬比的試件，通過疲勞試驗分析不同褶皺高寬比對風力機葉片主梁復合材料疲勞性能的影響。

1 風力機葉片主梁復合材料制備

以全褶皺類型的風力機葉片主梁層合板為研究對象，研究不同層褶皺和不同高寬比對試件疲勞強度的影響。采取真空灌注制造風力機葉片主梁材料層合板試件，試件共10層纖維布，其中褶皺部分采用光滑鐵絲作為異物支撐褶皺，褶皺分別從第一層至第九層分布，纖維布按照[45/0/-45/90]4s鋪設，不同直徑的鐵絲和不同纖維布對應不同褶皺高度的試驗件，鐵絲直徑為0.5 mm、1 mm、1.5 mm，環(huán)氧樹脂基體和固化劑質量比為4∶1。

具體過程如下：

(1)將鐵板模具放到電熱毯上，用丙酮將光滑的鐵板模具擦拭干凈，并將脫脂劑均勻的涂在模具表面上；

(2)按照設計方案制作9個試件，分別將不同直徑的鐵絲放置于不同的玻璃纖維布層間；

(3)鋪設導流網(wǎng)和真空袋等，抽真空注入樹脂，直至樹脂浸潤均勻，打開電熱毯加熱固化；

(4)固化完成后取出層合板，并切割成250 mm×30 mm尺寸；

(5)將鐵絲剔除掉，然后用配好的樹脂灌注鐵絲留下的空槽，該區(qū)域稱為富樹脂區(qū)域；

(6)標記試件，將一層褶皺標記為1號件，二層褶皺標記為2號試件，以此類推，共9個試件。

圖1為試件過程中抽真空與注脂。對試件進行測量，高寬比如表1所示。

圖1 準備抽真空與注脂

表1 不同試件的高寬比

2 試驗設備與儀器

試驗材料靜態(tài)力學性能測試的拉伸試驗在WAW-300B伺服萬能試驗機上進行。最大試驗力為300 kN，試驗力示值相對誤差小于等于示值的±1%，試驗力測量范圍為最大試驗力的2%～100%，等速位移控制。疲勞性能測試使用儀器為美國MTS810伺服液壓疲勞試驗機，最大載荷為±100 kN，頻率范圍為0～30 Hz。

3 試驗結果與分析

3.1 不同褶皺高寬比靜力學性能

靜力學實驗根據(jù)試驗要求對主梁材料采用0.05 mm/s的加載速度進行位移控制拉伸加載。如表2所示。

表2 不同試件的拉伸強度參數(shù)

通過靜力學測試，褶皺的產(chǎn)生會嚴重影響風力機葉片主梁材料的力學性能，褶皺高寬比越大，對風力機葉片主梁材料力學性能影響越大。當褶皺缺陷高寬比大于等于2.45%時，實驗材料結構強度性能下降35%以上。

3.2 不同褶皺高寬比疲勞分析

試驗過程按照美國材料與試驗協(xié)會ASTM(American Society for Testing and Materials)，D3036/D標準-聚合物基復合材料疲勞性能試驗方法完成，如圖2所示，疲勞試驗過程加載頻率為10 Hz，應力比為0.1，應力水平40%，加載方式為正弦波，得到不同褶皺層合板試樣的疲勞壽命。

圖2 疲勞試驗

根據(jù)疲勞強度的S-N曲線可以得

SmN=C(常數(shù))

由此得出：

lg(Sm)=lg(C/N)

lgN=mlgS+lgC

根據(jù)公示可以擬合出不同高寬比褶皺疲勞性能的S-N曲線，9個試件擬合曲線如圖3所示。

圖3 不同高寬比試件的S-N曲線

試件1的疲勞S-N曲線：y=-1.699ln(x)+6.684 1，R2=0.947；

試件2的疲勞S-N曲線：y=-1.276ln(x)+5.775 8，R2=0.854 3；

試件3的疲勞S-N曲線：y=-1.199ln(x)+5.588 5，R2=0.898 6；

試件4的疲勞S-N曲線：y=-1.154ln(x)+5.450 8，R2=0.907 4；

試件5的疲勞S-N曲線：y=-1.183ln(x)+5.217 2，R2=0.952 1；

試件6的疲勞S-N曲線：y=-1.264ln(x)+5.254 4，R2=0.952 4；

試件7的疲勞S-N曲線：y=-1.224ln(x)+5.166 2，R2=0.924 9；

試件8的疲勞S-N曲線：y=-1.121ln(x)+4.773 7，R2=0.982 5；

試件9的疲勞S-N曲線：y=-1.032ln(x)+4.384 2，R2=0.978 8。

通過疲勞試驗測定多尺度褶皺缺陷的疲勞壽命來獲取相應的S-N曲線，線性擬合結果較好，均值R2=0.957。因此可以結合S-N曲線和經(jīng)驗公式來推測試件的全時疲勞壽命周期。

根據(jù)擬合曲線公式得出隨著褶皺高寬比的增加，風力機葉片主梁材料層合板的疲勞壽命明顯下降。這是因為隨著褶皺高寬比的增加，層合板內(nèi)玻璃纖維束偏移的角度也隨著變大。根據(jù)衰減曲線可以得出隨著玻璃纖維束偏移角度的增加，風力機葉片主梁材料層合板的強度逐漸降低，層合板的疲勞壽命也隨著大幅度下降。

3.3 疲勞壽命預測

通過試驗得到的疲勞循環(huán)次數(shù)如表3所示。

表3 不同試件的疲勞循環(huán)次數(shù)

由表3可以看出隨著高寬比的不斷增大，循環(huán)次數(shù)明顯下降，疲勞壽命隨之下降。當褶皺高寬比大于等于2.45%時，疲勞壽命下降90%以上。

4 結論

本次實驗采用不同鋪層、不同高寬比的褶皺缺陷來表征葉片主梁材料的狀態(tài)進行疲勞性能試驗，共考察了9組不同高寬比褶皺的試件，并對試樣的靜力學、疲勞性能以及壽命預測進行了分析。

(1)通過靜力學測試，褶皺高寬比會嚴重影響風力機葉片主梁復合材料的力學性能，褶皺高寬比越大，對復合材料力學性能影響越大；當褶皺缺陷高寬比大于等于2.45%時，實驗材料結構強度性能下降35%以上。

(2)通過疲勞試驗測定多尺度褶皺缺陷的疲勞壽命來獲取相應的S-N曲線，線性擬合結果較好，擬合優(yōu)度系數(shù)均值R2=0.957。

(3)隨褶皺缺陷高寬比的增大，實驗材料疲勞壽命逐漸減小，當褶皺缺陷高寬比大于等于3.12%時，實驗材料疲勞壽命下降比較顯著，達到90%以上。