風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合材料裂紋損傷的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究

鄧宗白，單 珂

（南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引言

對(duì)風(fēng)力機(jī)健康狀況的檢測(cè)對(duì)其的日常維修和工作壽命的評(píng)估有著至關(guān)重要的意義[1]。

當(dāng)前大多數(shù)的風(fēng)力機(jī)葉片是以玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為其主要制作材料。根據(jù)葉片在工作過程中的受力特點(diǎn)，葉片是在不同位置采用不同材料進(jìn)行真空灌注從而整體成型的。經(jīng)過筆者的多次風(fēng)機(jī)葉片靜載荷實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)來看，風(fēng)機(jī)葉片在擺振工況下受載時(shí)，導(dǎo)致葉片結(jié)構(gòu)局部壓力過大，導(dǎo)致葉片發(fā)生屈曲，最終在截面面積最大處附近的尾緣處鋪層開膠。

現(xiàn)有的對(duì)于復(fù)合材料檢測(cè)的常用手段包括X射線檢測(cè)法、超聲檢測(cè)法、預(yù)埋光纖檢測(cè)法以及聲發(fā)射檢測(cè)法等[2-3]。對(duì)于葉片這一復(fù)雜又大型的結(jié)構(gòu)來說，常用的檢測(cè)手段都無法滿足其運(yùn)動(dòng)的工作狀態(tài)和復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)。聲發(fā)射技術(shù)以其高敏感區(qū)和具有定位功能等優(yōu)點(diǎn)特別適合應(yīng)用于這種結(jié)構(gòu)大、形狀不規(guī)則、可接近度低以及其受力環(huán)境復(fù)雜的風(fēng)力機(jī)葉片監(jiān)測(cè)。

針對(duì)葉片材料鋪層間裂紋擴(kuò)展這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了鋪層間Ⅰ、Ⅱ型裂紋擴(kuò)展的試件，并委托葉片生產(chǎn)廠家嚴(yán)格按照葉片生產(chǎn)的工藝流程制作試件，并利用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行拉伸，三點(diǎn)彎試驗(yàn)，在加載過程中利用由聲發(fā)射傳感器、放大器、A／D數(shù)據(jù)采集卡和電腦組成的聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)采集，而后分析同種材料（“1-4”材料）鋪層兩種裂紋擴(kuò)展（Ⅰ型裂紋，Ⅱ型裂紋）的聲發(fā)射信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)同種材料（“1-4”材料）兩種裂紋擴(kuò)展（Ⅰ型裂紋，Ⅱ型裂紋）的聲發(fā)射信號(hào)識(shí)別。

1 試件制作

試件材料采用的是1.5MW風(fēng)機(jī)葉片12m處的4種不同材料。按照實(shí)際鋪層將其分為2個(gè)組合，如表1所示。

表1 葉片材料生產(chǎn)名稱及對(duì)應(yīng)編號(hào)

而其中各個(gè)材料的生產(chǎn)名稱的具體含義如下：

試件為長150mm，寬30mm，兩層厚度分別為3mm，總厚度為6mm。在試件預(yù)留開口處的上下面粘貼環(huán)氧玻璃角鋼作為夾具加持部分。

根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片的實(shí)際材料鋪層情況將以上材料分成兩組配合，即材料1與材料4、材料2與材料5。因?yàn)?，在兩次風(fēng)機(jī)葉片靜載荷實(shí)驗(yàn)中有時(shí)這兩種鋪層間都發(fā)生了撕裂破壞，如圖1所示。

圖1 葉片破壞情況

將試件編號(hào)如表2所示。

表2 試件編號(hào)

2 實(shí)驗(yàn)過程

對(duì)于Ⅰ型試件，使用長春試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的WDW-5000N電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)“1-4”材料試件進(jìn)行拉伸加載實(shí)驗(yàn)，三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)，采用位移控制模式，加載速度為1mm／s。在試件的尾部安裝北京聲華科技生產(chǎn)的SR150M型聲發(fā)射傳感器，其采樣頻率為10～400kHz，，利用“MIST-3高溫真空絕緣脂”作為耦合劑。前置放大器增益為40dB。采用的是美國國家儀器公司的PXI-6133型A／D采集卡，采樣頻率為2.5MHz。

3 小波理論

聲發(fā)射信號(hào)f（n）經(jīng)過小波J階分解后，分解為J＋1個(gè)分量，每個(gè)分量的頻率范圍遞增或者遞減。其表達(dá)式如下：

其中，AJf（n）是第J層小波分解后低頻成分重構(gòu)信號(hào)；Djf（n）是第j層小波分解后高頻成分重構(gòu)信號(hào)，具體如圖2所示。

圖2 4層小波分解結(jié)構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)“1-4”材料試件的多個(gè)樣品進(jìn)行加載并對(duì)其破壞過程中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采樣。然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分解。根據(jù)分解后各層信號(hào)的能譜系數(shù)，對(duì)所采信號(hào)進(jìn)行去噪和聲發(fā)射源信號(hào)重構(gòu)。最后提取去噪后信號(hào)的功率譜、振鈴隨時(shí)間變化圖和能量隨時(shí)間變化圖等特征信息[6]。

4.1 各試件聲發(fā)射信號(hào)特征

4.1.1 Ⅰ-1-4試件

對(duì)多個(gè)Ⅰ-1-4試件進(jìn)行拉伸加載實(shí)驗(yàn)，將其破壞時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集。經(jīng)過小波分析重構(gòu)后的各級(jí)能譜系數(shù)譜系數(shù)如表3所示。

表3 Ⅰ-1-4試件信號(hào)小波分析各參量能譜系數(shù)

通過表3對(duì)重構(gòu)各層能譜系數(shù)計(jì)算得，Ⅰ-1-4試件的損傷聲發(fā)射信號(hào)主要能量集中在D2層，則聲發(fā)射源信號(hào)主要集中在D2層。對(duì)信號(hào)經(jīng)小波分解后的D2層進(jìn)行重構(gòu)，計(jì)算其頻譜和其他特征值。

下面?、?1-4-1試件為例，將其原始信號(hào)、重構(gòu)信號(hào)、頻譜圖、振鈴隨時(shí)間變化圖和能量隨時(shí)間變化圖進(jìn)行列舉，如圖3所示。

圖3 Ⅰ-1-4-1變化圖

由圖3可知，Ⅰ-4-1-1試件聲發(fā)射事件的能量分布在整個(gè)時(shí)間域中分為4次比較集中的發(fā)生，其頻率主要集中在80～328kHz范圍內(nèi)，在173 kHz處達(dá)到最大，從時(shí)間上去分析，振鈴數(shù)隨時(shí)間變化基本同步。屬于連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)。

對(duì)多個(gè)Ⅰ-4-1試件進(jìn)行分析，得出其能量分布圖和振鈴分布圖基本相似 ，說明Ⅰ-1-4試件聲發(fā)射信號(hào)的幾次聲發(fā)射事件比較相似，由頻譜也可看出幾次聲發(fā)射事件的頻譜疊加后頻率范圍也比較集中，屬于連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)。分析可知，這是由于Ⅰ型裂紋擴(kuò)展開始階段是材料的基體脫膠，而后玻璃纖維和基體脫膠兩種破壞形式疊加出現(xiàn)，使得在這個(gè)試件的斷裂過程中始終伴隨著聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生，總體信號(hào)是類似聲發(fā)射事件的疊加。Ⅰ-1-4的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)和主要頻率如表4所示。

表4 Ⅰ-1-4試件聲發(fā)射信號(hào)主要特征參量

4.1.2 Ⅱ-1-4試件

對(duì)多個(gè)Ⅱ-1-4試件進(jìn)行拉伸加載實(shí)驗(yàn)，將其破壞時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集。經(jīng)過小波分析重構(gòu)后的各級(jí)能譜系數(shù)譜系數(shù)如表5所示。

表5 Ⅱ-1-4試件信號(hào)小波分析各參量能譜系數(shù)

經(jīng)過表5對(duì)重構(gòu)各層能譜系數(shù)計(jì)算得，Ⅱ-1-4試件的損傷聲發(fā)射信號(hào)主要能量集中在D4層上，則聲發(fā)射源信號(hào)集中在D4層。對(duì)信號(hào)經(jīng)小波分解后的D4層進(jìn)行重構(gòu)，計(jì)算其頻譜和其他的特征值。

下面?、?1-4-1試件為例，將其原始信號(hào)、重構(gòu)信號(hào)、頻譜圖、振鈴隨時(shí)間變化圖和能量隨時(shí)間變化圖進(jìn)行列舉，如圖4所示。

圖5 Ⅱ-1-4-1變化圖

由圖4分析，Ⅱ-1-4-1試件聲發(fā)射信號(hào)的主要頻率在42.23kHz左右，頻率比較集中。根據(jù)時(shí)域和能量圖可以看出，Ⅱ-1-4試件聲發(fā)射信號(hào)為突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)。

對(duì)多個(gè)通過Ⅱ-1-4試件進(jìn)行分析，Ⅱ-1-4試件振鈴隨時(shí)間變化圖可以將事件發(fā)生清楚的顯現(xiàn)，在試件開始斷裂時(shí)有多個(gè)振鈴數(shù)產(chǎn)生，Ⅱ-1-4試件的能量分布圖，其主要信號(hào)集中在開始部分，后面的信號(hào)能量微弱，說明Ⅱ-1-4試件聲發(fā)射信號(hào)為突發(fā)型信號(hào)。

分析得出，這是由于Ⅱ型裂紋為滑開型裂紋，試件斷裂時(shí)持續(xù)時(shí)間短，能量大并且集中，主要是基體開裂，并無纖維斷裂現(xiàn)象，使得聲發(fā)射信號(hào)主要在試件斷裂開始階段大量出現(xiàn)，隨后出現(xiàn)的信號(hào)是由于實(shí)驗(yàn)機(jī)震動(dòng)，夾頭震動(dòng)導(dǎo)致。

經(jīng)過對(duì)其他試件進(jìn)行分析，得到Ⅱ-1-4的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)和主要頻率如表6所示。

表6 Ⅱ-1-4試件小波去噪后信號(hào)主要特征參量

4.2 分析

將兩種材料的各種特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表7所示。

表7 兩種試件信號(hào)主要特征參量

Ⅰ-1-4型試件裂紋破壞斷面上是玻璃纖維被拉斷，層合板脫膠開裂，Ⅱ-1-4型試件裂紋破壞后的斷面上纖維是基本完好的，而被撕開的是層合板基體。由表7分析可知，對(duì)于1-4材料鋪層Ⅰ型裂紋和Ⅱ型裂紋破壞聲發(fā)射信號(hào)在其被小波分解后，最大能譜系數(shù)所在層不同，Ⅰ型裂紋為D2、Ⅱ型裂紋為D4。重構(gòu)后信號(hào)的頻譜也有很大不同，Ⅰ型裂紋為173kHz、Ⅱ型裂紋為42.2kHz。其振鈴隨時(shí)間變化時(shí)域圖也有很大的區(qū)別，Ⅰ型裂紋為連續(xù)型信號(hào)、Ⅱ型裂紋為突發(fā)型信號(hào)。

5 結(jié)束語

對(duì)于風(fēng)機(jī)同種材料（“1-4”材料）鋪層間的兩種破壞模式（Ⅰ型裂紋，Ⅱ型裂紋）進(jìn)行比對(duì)分析，通過分析其信號(hào)類型、小波分解后的最大能譜系數(shù)層、重構(gòu)信號(hào)的頻譜、振鈴數(shù)隨時(shí)間變化圖和能量隨時(shí)間變化圖等特征，找到其特有的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)。可以利用該結(jié)論有效地對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片“1-4”材料的Ⅰ型裂紋、Ⅱ型裂紋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為聲發(fā)射技術(shù)在線監(jiān)測(cè)風(fēng)力機(jī)葉片損傷檢測(cè)提供了一種新的途徑。

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