風(fēng)電葉片復(fù)合材料層間開裂聲發(fā)射監(jiān)測

李亞娟，周偉，劉然，梁曉敏，李志遠(yuǎn)

（河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071002）

風(fēng)能以其資源豐富、無污染、可再生等優(yōu)點在能源的開發(fā)和利用方面日益受到重視.根據(jù)《中國風(fēng)電發(fā)展報告2012》預(yù)測，到2020年，中國風(fēng)電累計裝機(jī)容量將在200～300GW［1］.玻璃纖維復(fù)合材料具有強度高、比模量高、抗疲勞性能好等優(yōu)點，是風(fēng)電葉片最常用的材料［2］.受制造工藝等因素影響，風(fēng)電葉片復(fù)合材料制造過程中會出現(xiàn)分層、缺膠等結(jié)構(gòu)缺陷，在實際工況載荷作用下，這些缺陷會產(chǎn)生累積，最終導(dǎo)致風(fēng)電葉片的失穩(wěn)破壞［3－4］.因此，為保障風(fēng)電葉片機(jī)組的安全穩(wěn)定運行，需要對風(fēng)電葉片復(fù)合材料I型分層的損傷演化特性進(jìn)行研究.

聲發(fā)射檢測參數(shù)分析是通過內(nèi)部缺陷在萌發(fā)和擴(kuò)展的動態(tài)過程中發(fā)出的應(yīng)力波反映出來的幅度、相對能量、撞擊累積數(shù)、持續(xù)時間等特征參量來分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部變形損傷情況.近年來，國內(nèi)外一些相關(guān)學(xué)者將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測風(fēng)電葉片損傷的發(fā)現(xiàn)、定位和嚴(yán)重程度分級［5－9］.Joosse和Blanch等［5］在風(fēng)電葉片靜力和疲勞測試中應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)，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(yù)示葉片失效.Anastassopoulos和Kouroussis等［6］應(yīng)用模式識別軟件對相似葉片進(jìn)行完整度評估和損傷分級.但國內(nèi)外針對風(fēng)電葉片復(fù)合材料界面缺陷演化行為過程方面的研究較少.針對分層缺陷是對風(fēng)電葉片安全運行影響較大的聲發(fā)射源，本文以含I型分層缺陷的玻璃纖維復(fù)合材料為研究對象，對試件進(jìn)行拉伸實驗，并進(jìn)行聲發(fā)射全程監(jiān)測，研究了復(fù)合材料I型分層在拉伸過程的損傷演化特性和聲發(fā)射響應(yīng)特征，從而更加全面、深入地了解復(fù)合材料層間開裂的損傷破壞機(jī)理，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測提供參考依據(jù).

1 材料及方法

1.1 材料及試件制備

實驗采用的玻璃纖維環(huán)氧單向預(yù)浸料（G20000，單層厚度0.17mm）和多軸向預(yù)浸料（KT900，單層厚度1mm，0°，＋45°，－45°方向纖維質(zhì)量比為50%，25%，25%）均購于威海光威復(fù)合材料有限公司.首先將預(yù)浸料鋪設(shè)在平板模具上，在試件一端的中間位置放置聚四氟乙烯薄膜獲得預(yù)制裂紋，經(jīng)加熱、加壓固化后獲得復(fù)合材料層板.單向復(fù)合材料鋪設(shè)20層，實際厚度約為3.3mm.多軸向復(fù)合材料鋪設(shè)5層，實際厚度約為4.5mm.最后將層板制成180mm×25mm 的長條形實驗試件，預(yù)制裂紋長度為60mm.

1.2 力學(xué)加載與聲發(fā)射

試件的單向拉伸過程在CMT5305型萬能拉壓試驗機(jī)（深圳新三思有限公司）上進(jìn)行.拉伸過程的同時應(yīng)用AMSY－5全波形聲發(fā)射儀（德國Vallen公司）對聲發(fā)射信號進(jìn)行采集及記錄.加載過程采用位移控制，加載速率設(shè)為2mm／min.為便于試驗機(jī)夾具操作，在試件夾持端兩側(cè)粘上90°彎曲鋁加強片.試樣加載的主要裝置與傳感器布置的現(xiàn)場圖如圖1所示.

圖1 試件加載現(xiàn)場Fig.1 Scene of specimen loading

聲發(fā)射傳感器采用VS150－RIC型號，其頻帶為100～450kHz，內(nèi)置前置放大器增益為34dB，中心頻率為150kHz，采樣頻率為5 MHz，閥值設(shè)為46dB.傳感器與試件之間用高真空油脂耦合，并用膠帶將其固定，傳感器與預(yù)制裂紋尖端距離為60mm.

2 結(jié)果及討論

2.1 復(fù)合材料I型分層擴(kuò)展力學(xué)響應(yīng)與破壞特征

復(fù)合材料I型分層試件單向拉伸過程載荷－張開位移曲線如圖2所示.依據(jù)復(fù)合材料的載荷－張開位移的變化曲線，將整個過程劃分為4個不同的階段，如圖2中標(biāo)注所示.第1階段載荷與張開位移呈線性關(guān)系，由于預(yù)制裂紋的存在，在試件加載初期并沒有聲發(fā)射事件，所以載荷與位移呈線性特征；第2階段開始出現(xiàn)宏觀的分層裂紋擴(kuò)展，所以載荷與位移之間呈現(xiàn)非線性特征.該階段位于線性區(qū)之后，并且在最大載荷之前；第3階段是在分層過程達(dá)到最大載荷后，裂紋停止并且載荷驟降；第4階段是載荷在迅速下降后的平穩(wěn)變化.

圖2 復(fù)合材料載荷－張開位移曲線Fig.2 Load－opening displacement curve of composite

圖3 復(fù)合材料的破壞特征Fig.3 Damage characteristics of composite materials

復(fù)合材料I型分層的破壞特征如圖3所示.單向復(fù)合材料的擴(kuò)展位移為16mm，多向復(fù)合材料的擴(kuò)展位移為15mm.兩者的擴(kuò)展位移相差不大.結(jié)合圖2得到，單向復(fù)合材料的張開位移為17mm，最大載荷為49N；多向復(fù)合材料的張開位移為39mm，最大載荷為65N.可以看出，多向復(fù)合材料的張開位移和最大破壞載荷都大于單向復(fù)合材料.這是由于單向復(fù)合材料的樹脂含量少，纖維多，且纖維作用幅度大；而多向復(fù)合材料存在±45°方向的纖維，在分層擴(kuò)展過程中，±45°方向纖維會影響裂紋的擴(kuò)展速度，并且多向復(fù)合材料樹脂含量多，所以纖維的作用影響較小.

2.2 復(fù)合材料I型分層擴(kuò)展聲發(fā)射響應(yīng)行為

復(fù)合材料I型分層試件拉伸過程中的聲發(fā)射信號撞擊累積－幅度－時間關(guān)系如圖4所示.從圖4a可以看出，單向復(fù)合材料試件加載起始階段，由于預(yù)制裂紋的存在，僅出現(xiàn)少量幅度值不高于70dB的聲發(fā)射信號，且?guī)缀鯖]有撞擊數(shù)；在缺陷演化階段，隨著張開位移的增加，分層尖端開始出現(xiàn)宏觀裂紋擴(kuò)展，較多幅度值在70～87dB，并且出現(xiàn)撞擊累積，撞擊累積計數(shù)開始上升；在試件破壞階段，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，出現(xiàn)了大量的聲發(fā)射信號，其中幅度值最高達(dá)99.8dB，大量的損傷破壞導(dǎo)致撞擊累積計數(shù)近似直線趨勢迅速增高.

多向復(fù)合材料試件加載過程如圖4b所示，初始階段只有少量聲發(fā)射信號，且幅度值低于60dB，撞擊數(shù)基本在零處；隨著張開位移的增加，信號迅速增多，并且幅度分布在60～90dB，撞擊累積數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢；隨著裂紋不斷擴(kuò)展至破壞，在破壞瞬間出現(xiàn)的幅度值高達(dá)100dB，撞擊累積計數(shù)同單向復(fù)合材料，呈現(xiàn)近似直線增高趨勢.

對比圖4a和b可以看出，單向復(fù)合材料在破壞階段出現(xiàn)較多的46～90dB幅值的信號，而多向復(fù)合材料從演化階段到破壞階段一直都存在較多的46～75dB幅值的聲發(fā)射信號.這也是由于多向復(fù)合材料在分層擴(kuò)展過程中，±45°方向纖維會影響裂紋的擴(kuò)展速度，使其在破壞階段并沒有較多的高幅值信號.

圖4 聲發(fā)射信號撞擊累積－幅度－時間關(guān)系Fig.4 Cumulative hits－amplitude－time curve of AE signals

試件加載過程中的載荷－相對能量－時間關(guān)系如圖5所示.從圖5a可以看出，單向拉伸的加載初始階段，由于沒有聲發(fā)射事件，聲發(fā)射能量幾乎為零，載荷與張開位移呈現(xiàn)明顯的線性特征；隨著張開位移的增大，聲發(fā)射相對能量逐漸增多，載荷曲線呈現(xiàn)非線性變化，說明此時分層尖端區(qū)域出現(xiàn)宏觀裂紋擴(kuò)展；隨著裂紋緩慢擴(kuò)展至試件最終破壞，載荷增至最大，聲發(fā)射相對能量達(dá)到最高值11 980.在載荷驟降并達(dá)到恒定的過程中，相對能量也隨之下降并平穩(wěn)變化.

從圖5b可以看出，多向復(fù)合材料試件在加載過程中的最大相對能量與單向復(fù)合材料相差不大.在加載過程初期，試件無明顯的損傷，其聲發(fā)射相對能量相當(dāng)?shù)?；隨著多向復(fù)合材料損傷累積，載荷曲線呈非線性變化，產(chǎn)生的聲發(fā)射事件越來越多，相對能量相應(yīng)的逐漸增高；當(dāng)試件最終破壞時，對應(yīng)的聲發(fā)射相對能量達(dá)到最高值10 050.在時間為890s時載荷驟降，聲發(fā)射相對能量也急劇下降到2 000以下.在載荷緩慢上升到平穩(wěn)的過程中，聲發(fā)射相對能量先明顯升高，然后下降逐漸平穩(wěn).

2.3 聲發(fā)射信號的特征參量及載荷關(guān)聯(lián)分析

組合圖4和圖5中復(fù)合材料層間開裂過程中聲發(fā)射幅度－撞擊累積數(shù)－能量隨時間的變化特征及載荷變化曲線，可以將分層缺陷在單向拉伸加載過程中的破壞過程為3個階段，分別為起始階段、演化階段、破壞階段.在起始階段，由于預(yù)制裂紋的存在，幾乎沒有聲發(fā)射事件，所以僅出現(xiàn)少量幅度不高的聲發(fā)射信號，且?guī)缀鯖]有聲發(fā)射撞擊數(shù)，聲發(fā)射相對能量幾乎為零，載荷曲線線性變化；在演化階段，分層尖端區(qū)域開始出現(xiàn)明顯的宏觀微裂紋擴(kuò)展，聲發(fā)射事件逐漸增多，出現(xiàn)了大量從低到高幅值的聲發(fā)射信號，且撞擊累積計數(shù)開始增多，聲發(fā)射相對能量逐漸增大，載荷曲線呈非線性變化；在破壞階段，試件最終層間開裂破壞，出現(xiàn)了大量的聲發(fā)射信號，大量的損傷破壞導(dǎo)致聲發(fā)射撞擊累積數(shù)以近似直線趨勢急劇增加，此時對應(yīng)最高的聲發(fā)射相對能量和加載載荷值.

圖5 復(fù)合材料拉伸載荷－聲發(fā)射相對能量－時間關(guān)系Fig.5 Tensile Load－AE relative energy－time curve of composite

由上述分析可以看出，聲發(fā)射信號的幅度、撞擊累積數(shù)、相對能量等特征參量與材料結(jié)構(gòu)損傷程度密切相關(guān).低級損傷對應(yīng)低的幅度、平緩的撞擊累積變化、低的相對能量，而危險損傷對應(yīng)高的幅度、急劇上升的撞擊累積、高的相對能量.在風(fēng)電葉片的聲發(fā)射在役檢測中，可以依據(jù)信號的特征參量變化判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的危險程度，并在缺陷失穩(wěn)臨界值之前進(jìn)行補救預(yù)防.

3 結(jié)論

1）復(fù)合材料I型分層加載初始階段載荷與張開位移呈現(xiàn)明顯的線性特征，當(dāng)出現(xiàn)宏觀裂紋擴(kuò)展時呈現(xiàn)非線性特征，載荷上升到最大值后會驟然下降，然后平穩(wěn)變化.

2）I型分層復(fù)合材料在加載初始階段，由于預(yù)制裂紋的存在，幾乎沒有聲發(fā)射事件，所以信號很少且幅值不高，幾乎沒有撞擊；隨著張開位移增加，分層尖端區(qū)域出現(xiàn)宏觀微裂紋擴(kuò)展，信號明顯增多且幅值從低到高分布，撞擊累積計數(shù)呈上升趨勢；隨著裂紋不斷擴(kuò)展至破壞，在破壞瞬間出現(xiàn)的幅度值達(dá)到最高值，撞擊累積計數(shù)直線增高.

3）I型分層復(fù)合材料在加載初期沒有聲發(fā)射能量；微裂紋擴(kuò)展開始時，出現(xiàn)聲發(fā)射能量且逐漸增大；最終試件分層破壞，載荷達(dá)到最大值，對應(yīng)的相對能量最高.

4）聲發(fā)射信號的幅度、撞擊累積數(shù)、相對能量等特征參量的動態(tài)變化過程可以反映出材料結(jié)構(gòu)的損傷破壞程度.因此，對風(fēng)電葉片復(fù)合材料進(jìn)行聲發(fā)射在役檢測時，可以依據(jù)信號的特征參量變化判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的危險程度，保障風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運行.

［1］ 李俊峰，蔡豐波，喬黎明.中國風(fēng)電發(fā)展報告2012［R］.北京：中國可再生能源專業(yè)委員會，2012.

［2］ 周偉，孫詩茹，馮艷娜，等.風(fēng)電葉片復(fù)合材料拉伸損傷破壞聲發(fā)射行為［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2012，30（2）：240－246.ZHOU Wei，SUN Shiru，F(xiàn)ENG Yanna，et al.Acoustic emission behavior on tensile failure of composite for wind turbine blades［J］.Acta Materiae Compositae Sinica，2012，30（2）：240－246.

［3］ 周偉，馬力輝，張洪波，等.風(fēng)電葉片復(fù)合材料彎曲損傷破壞聲發(fā)射監(jiān)測［J］.無損檢測，2011，33（11）：33－37.ZHOU Wei，MA Lihui，ZHANG Hongbo，et al.Acoustic emission monitoring for wind turbine blade composite material under bending damage failure condition［J］.Nondestructive Testing，2011，33（11）：33－37.

［4］ 張曉霞，戚海東，王芳，等.風(fēng)電葉片復(fù)合材料層間剪切破壞破壞聲發(fā)射監(jiān)測［J］.工程塑料應(yīng)用，2012，40（8）：77－80.ZHANG Xiaoxia，QI Haidong，WANG Fang，et al.Acoustic emission monitoring for interlaminar shear failure of wind turbine blade composite［J］.Engineering Plastics Application，2012，40（8）：77－80.

［5］ JOOSE P A，BLANCH M J，DUTTONET A G，et al.Acoustic emission monitoring of small wind turbine blades［J］.Journal of Tribology－Transactions of the ASME，2002，124（11）：446－454.

［6］ ANASTASSOPOULOS A A，KOUROUSSIS D A，NIKOLAIDIS V N，et al.Structural integrity evaluation of wind turbine blades using pattern recognition analysis on acoustic emission data［Z］.Engineering and Instrumentation，25th European Conference of Acoustic Emission Testing（EWGAE 2002），Prague，2002.

［7］ BLANCH M J，DUTTON A G.Acoustic emission monitoring of field tests of an operating wind turbine［J］.Key Engineering Materials，2003，245－246：475－482.

［8］ 周偉，田曉，張亭，等.風(fēng)電葉片玻璃鋼復(fù)合材料聲發(fā)射衰減與源定位［J］.河北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，32（1）：100－104.ZHOU Wei，TIAN Xiao，ZHANG Ting，et al.Acoustic emission attenuation and source location of glass fiber composites for wind turbine blades［J］.Journal of Hebei University：Natural Science Edition，2012，32（1）：100－104.

［9］ 劉紅霞，矯桂瓊，熊偉，等.復(fù)合材料層合板分層分析中的界面元應(yīng)用［J］.機(jī)械強度，2008，30（2）：301－304.