風電葉片用環(huán)氧樹脂疲勞性能研究

楊 紅 周百能

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

風電葉片用環(huán)氧樹脂疲勞性能研究

楊 紅 周百能

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章測試了國內(nèi)外兩種不同風電葉片用灌注環(huán)氧樹脂體系所制備的玻璃纖維層合板的拉-拉疲勞性能，實驗發(fā)現(xiàn)DQ 200E/DQ 204H 樹 脂 體 系 和 某 進 口 樹 脂 體 系 疲 勞 壽 命 與 應(yīng) 力 之 間 的 關(guān) 系 分 別 為 ： lgN=31.76-10.16 ×lgS 和 lgN=31.49-10.10×lgS。在 相 同 條 件 下， DQ 200E/DQ 204H樹脂體系擁有 比 該 進 口 樹 脂 體 系 更 好的疲勞性能。 以35%靜力 拉 伸 強度為最大應(yīng)力，在106次加載后DQ 200E/DQ 204H樹脂體系和該進口樹脂 體系 的試樣的剩余強度分 別為 靜力強度的86.90%和85.37%。

葉片；環(huán)氧樹脂；疲勞

1 前言

疲勞是指材料在周期性交變載荷作用下發(fā)生的性能變化，疲勞壽命是指試樣在給定的交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下破壞時的循環(huán)次數(shù)[1,2]。 在風電葉片的設(shè)計開發(fā)過程中，疲勞是必須要考慮的一大性能指標[3]。 通常葉片生產(chǎn)商會對葉片進行疲勞測試，但該測試數(shù)據(jù)是葉片生產(chǎn)所用各種材料以及生產(chǎn)工藝的綜合指標，不能直接反應(yīng)出風電葉片用環(huán)氧樹脂體系的疲勞性能。

從20世紀80年代起，歐洲和美國開展了大量的材料疲勞性能測試[4-9]， 特別是玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料和玻璃纖維/不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料的疲勞性能測試[7]。 根據(jù)這些測試結(jié)果， 研究人員提出了多種理論和模型來研究纖維增強復(fù)合材料的疲勞性能， 并認為對于低周疲勞性能， Hwang和Han[10]所提出的理論最接近實際結(jié)果； 對于高周疲勞性能， 直線型的S-N曲線最接近實際結(jié)果[9]。公式SmN=C常常被用于纖維增強復(fù)合材料的高周疲勞性能模擬[8]， 在其他條件相同的情況下，m值越高表示該材料的疲勞性能越好。

作為風力發(fā)電機組的重要組成部分，風電葉片主要由玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成[10-15]。為了滿足風電葉片至少20年的工作壽命要求， 制造商對風電葉片所用材料的疲勞性能提出了較高的要求[3]。 由于材料疲勞性能測試周期通常長達數(shù)月，目前國內(nèi)關(guān)于風電葉片用環(huán)氧樹脂的玻璃纖維層合板的疲勞性能研究報道較少，相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也比較少[16-18]。 本實驗選取了國內(nèi)外兩種不同的風電葉片用環(huán)氧樹脂產(chǎn)品，在相同條件下測試了其單向布層合板的拉-拉疲勞性能，統(tǒng)計了不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命， 繪制了S-N曲線， 并得出了m值，為風電葉片設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

2.1.1 儀器

電子萬能試驗機： 日本島津AG-IC， 載荷容量100kN， 位移分辨率0.01mm；

疲勞試驗機： 日本島津EHF-EM， 載荷容量50kN， 活塞行程±50mm；

試 樣 切 割 機 ： 德 國 Mutronic， 型 號 Diadrive 2000。

2.1.2 試劑

DQ200E/DQ204H風電葉片用灌注環(huán)氧樹脂體系 （以下以DQ樹脂表示）， 推薦重量配比100:32，東汽樹脂事業(yè)部， 工業(yè)級， 其中DQ200E主要成分為雙酚A型環(huán)氧樹脂， DQ204H主要成分為脂肪胺和脂環(huán)胺；

某進口風電葉片用灌注環(huán)氧樹脂體系 （以下以AB樹脂表示）， 推薦重量配比100:32， 某大型跨國公司，工業(yè)級，其樹脂主要成分為雙酚A型環(huán)氧樹脂，固化劑主要成分為脂肪胺和脂環(huán)胺；

單軸向玻璃纖維布UD1200， 0°紗線1152g/ m2， 90°紗線36g/m2， 編織線12g/m2， 紗線名稱Advantex-SE1500， 歐文斯科寧， 工業(yè)級；

E240E/E244H風電葉片用環(huán)氧膠粘劑， 推薦重量配比100:45， 東汽樹脂事業(yè)部， 工業(yè)級。

2.2 試樣制備

試樣尺寸參照GB/T 16779《纖維增強塑料層合板拉-拉疲勞性能試驗方法》， 采用直條形試樣，如圖1所示[2]。 墊片使用雙軸向玻璃纖維布的層合板制備而成。 試樣制備按GB/T 1446規(guī)定進行[19]，試樣軸向與纖維布的0°紗線方向一致， 試樣鋪層順序為 [0°90°]、 [90°0°] 兩層疊放， 疊放過程中注意兩層紗線對齊。

圖1 疲勞測試試樣的形狀和尺寸（mm）

試樣按樹脂生產(chǎn)廠家所給出的固化工藝進行固化，然后使用膠粘劑粘上符合標準規(guī)定的墊片，粘接過程中嚴格控制所用膠粘劑的厚度。待粘接完成后，將試樣按粘接劑生產(chǎn)廠家所給出的固化工藝再次進行固化。

使用試樣切割機按標準尺寸切割固化后的試樣， 并使用800目的水砂紙將試樣邊緣的毛刺打磨干凈。最后對試樣質(zhì)量進行檢查，棄去不符合標準要求的試樣。

2.3 疲勞測試

試樣測試前在標準試驗環(huán)境 （溫度23℃±2℃，濕度50% ±10%）下[20]放置 至少 24h進 行狀態(tài) 調(diào)節(jié) ，整個實驗過程均在標準試驗環(huán)境下進行。

按GB/T 1040.5規(guī)定， 使用電子萬能試驗機測定試樣的靜力強度[21]。

本實驗所進行的疲勞測試為拉-拉疲勞，應(yīng)力比為R=0.1， 加載模式為正弦波加載， 測試頻率為3Hz， 選取75%、 65%、 55%、 45%的靜力拉伸強度作為分級的最大應(yīng)力， 來測定S-N曲線。 測試過程中， 首先在各個分級應(yīng)力條件下測試6根試樣的疲勞壽命， 然后根據(jù)HB/Z 112標準規(guī)定， 判斷是否需要增加試樣數(shù)量[22]； 若需要增加試樣數(shù)量， 再繼續(xù)測試直到滿足要求。記錄所測得的各個疲勞壽命數(shù)值，并計算各應(yīng)力條件下的中值疲勞壽命。

同時， 還測試了以35%靜力拉伸強度為最大應(yīng)力時， 在106次加載后試樣的剩余強度。

由于疲勞測試時間跨度較長，為了更好地體現(xiàn)出兩種材料的疲勞性能對比，將相同分級應(yīng)力下的兩種材料進行交替測試，以確保其測試環(huán)境基本相同。

3 結(jié)果與討論

3.1 靜力強度

測試DQ樹脂和AB樹脂兩種不同樹脂體系所制備試樣的靜力拉伸強度如圖2所示。

圖2 兩種不同樹脂體系所制備試樣的靜力拉伸強度

從圖2可以看出， 用兩種樹脂體系所制備試樣的靜力拉伸強度比較接近，強度平均值分別為883.85MPa和892.76MPa。 為了便于操作， 近似認為DQ樹脂所制備試樣的靜力拉伸強度為880MPa，AB樹脂所制備試樣的靜力拉伸強度為890MPa， 根據(jù)該靜力拉伸強度數(shù)值，計算不同應(yīng)力條件下所需設(shè)定的最大應(yīng)力值。

3.2 疲勞壽命

3.2.1 DQ樹脂體系

實驗測得不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命如圖3所示。

圖3 DQ樹脂體系在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命

如圖3所示， 測試了DQ樹脂體系在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。在較高應(yīng)力水平下時，由于疲勞壽命數(shù)據(jù)的離散性較大，我們增加了試樣進行測試，直到結(jié)果滿足標準要求。判斷是否需要增加試樣進行測試的依據(jù)為公式：（ 本 次 測 試 中 ， 誤 差 限 度 δmax取 5%， 置 信 度 γ 取95%， tγ從相關(guān)數(shù)據(jù)表中查得， s為標準偏差， x為平均值， n為觀測個數(shù)）[22]。

取各個應(yīng)力水平下所測疲勞壽命的平均值作為該水平下的中值疲勞壽命。 根據(jù)公式SmN=C （S為應(yīng)力， N為疲勞壽命， m為與材料性能相關(guān)的常數(shù) ， C 為 常 數(shù) ）[6]， lgN=lgC-m×lgS， 以lgN對 lgS 作圖， 結(jié)果如圖4所示。

圖4 DQ樹脂體系的疲勞壽命-應(yīng)力圖

從圖4的擬合直線可以看出， 應(yīng)力的對數(shù)與疲勞壽命的對數(shù)之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，標準方差 R2=0.9854， 關(guān)系 式為lgN=31.76-10.16 ×lgS， 即m=10.16。

3.2.2 AB樹脂體系

實驗測得不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命如圖5所示。

圖5 AB樹脂體系在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命

與DQ樹脂體系相同， 取各個應(yīng)力水平下所測疲勞壽命的平均值作為該水平下的中值疲勞壽命。并以lgN對lgS作圖， 結(jié)果如圖6所示。

圖6 AB樹脂體系的疲勞壽命-應(yīng)力圖

從圖6的擬合直線可以看出， 應(yīng)力的對數(shù)與疲勞壽命的對數(shù)之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，標準方差R2=0.9996， 關(guān) 系式 為lgN=31.49-10.10 ×lgS， 即m=10.10。

3.2.3 結(jié)果分析

從兩種不同樹脂體系的測試結(jié)果可知，隨著疲勞測試的最大應(yīng)力從靜力強度的75%逐漸減小到靜力強度的45%， 疲勞壽命明顯延長， 且疲勞壽命的對數(shù)與應(yīng)力的對數(shù)之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

從兩種不同樹脂體系的測試結(jié)果對比中可以看出， 在各分級應(yīng)力下DQ樹脂體系所測得的平均應(yīng)力壽命均比AB樹脂體系高。 也就是說， 在相同條件下， DQ樹脂體系擁有比AB樹脂體系更好的疲勞性能。

從兩種不同樹脂體系的測試結(jié)果可知， DQ樹脂體系的m值為10.16， AB樹脂體系的m值為10.10。而風電葉片設(shè)計疲勞計算時，對基體樹脂為環(huán)氧樹脂時玻璃纖維 （纖維體積含量30% ～55%）的m值假設(shè)為10， 與本次測試得到的數(shù)據(jù)相當[23]。另外，纖維失效分析中允許的載荷循環(huán)次數(shù)N的計算公式為[23]：

各參數(shù)所代表的意義詳見GB/T 25383， 式中指數(shù)m值即為分析S/N曲線所得到的m值。 從該公式可以看出， m值越大， 允許的載荷循環(huán)次數(shù)N越大。 由于DQ樹脂體系的m值略大于AB樹脂體系，可以說DQ樹脂體系的耐疲勞性能更好。

3.3 剩余強度

對兩種樹脂體系， 測試了以35%靜力拉伸強度為最大應(yīng)力時， 在106次加載后試樣的剩余強度，測試結(jié)果如表1所示。

表1 106次加載后的剩余強度

從表1中可以看出， DQ樹脂體系在106次加載后試樣的剩余強度為未加載試樣靜力強度的86.90%， AB樹脂體系在106次加載后試樣的剩余強度為未加載試樣靜力強度的85.37%。

4 總結(jié)

（1）環(huán)氧樹脂玻璃纖維層合板拉-拉疲勞壽命的對數(shù)與應(yīng)力的對數(shù)之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。DQ樹脂體系和AB樹脂體系疲勞壽命與應(yīng)力之間的關(guān) 系 分別 為 ： lgN=31.76-10.16 ×lgS 和 lgN=31.49-10.10×lgS。

（2）在相同條件下， DQ樹脂體系的疲勞壽命比AB樹脂體系更長。

（3）兩種樹脂體系的m值均接近10， DQ樹脂體系的m值比AB樹脂略大， 說明其耐疲勞性能更好。

（4）以35%靜力拉伸強度為最大應(yīng)力時， 在106次加載后DQ樹脂體系和AB樹脂體系的試樣的剩余強度分別為靜力強度的86.90%和85.37%。

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Fatigue Testing of Epoxy Resins forW ind Turbine Blade

Yang Hong,Zhou Baineng
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

Fatigue tests of glass fibre reinforced plastics made by two different types of epoxy resins for wind turbine blade have been done.The results of this study illustrate that the relationship between fatigue life and stress of DQ200E/DQ204H resin system is lgN=31.76-10.16×lgS,and that of an imported resin system is lgN=31.49-10.10×lgS.The fatigue property of DQ200E/DQ204H resin system is better than that of imported resin system.The rest strength of the DQ200E/DQ204H resin system is 86.90%,and that of the imported resin system is 85.37%after 106load cycles,when 35%of the tensile strength as themaximum value of load stress.

blade,epoxy resin,fatigue

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 (863 計劃)， 項目編號： 2009AA03ZX1487234。

楊紅（1986-）， 男， 碩士， 助理工程師， 主要從事新能源相關(guān)非金屬材料的開發(fā)工作。