復(fù)合材料風(fēng)電葉片褶皺疲勞性能影響研究

吳彥波，劉宏亮

(天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

復(fù)合材料風(fēng)電葉片褶皺疲勞性能影響研究

吳彥波，劉宏亮

(天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，由于其外形大、工序復(fù)雜，鋪層過(guò)程中很容易產(chǎn)生褶皺。褶皺會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生不可忽略的影響。當(dāng)玻纖鋪設(shè)松散時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)復(fù)合層褶皺，如果玻纖方向偏離 15,°，玻纖強(qiáng)度就會(huì)降低約 50%,。褶皺出現(xiàn)在主復(fù)合層將造成葉片的破裂。風(fēng)電葉片的葉根區(qū)域是所有載荷的匯集區(qū)，載荷大、受力復(fù)雜且容易出現(xiàn)褶皺。為有效評(píng)估褶皺對(duì)疲勞性能的影響，對(duì) 2,MW 復(fù)合材料風(fēng)電葉片葉根鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：對(duì)于復(fù)合材料風(fēng)電葉片，葉根區(qū)域褶皺高寬比達(dá)到 0.1時(shí)，隨循環(huán)次數(shù)增加，疲勞強(qiáng)度呈顯著下降趨勢(shì)。對(duì)于存在褶皺的試驗(yàn)件，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增多，疲勞循環(huán)載荷的均值、極值、載荷幅值均明顯降低。

復(fù)合材料 風(fēng)電葉片 褶皺 機(jī)械性能

0 引 言

當(dāng)前風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的主流葉片以質(zhì)量輕和功率高為特征，這樣就要求葉片的生產(chǎn)須嚴(yán)格按照要求，稍有意外就會(huì)影響到葉片的質(zhì)量。褶皺是復(fù)合材料不容忽視的缺陷。本文選用主流葉片廠家的玻纖和樹(shù)脂，模擬2.0,MW復(fù)合材料風(fēng)電葉片葉根的鋪層結(jié)構(gòu)，控制褶皺的高寬比及層數(shù)，通過(guò)真空灌注工藝成型，研究了葉片內(nèi)部玻纖褶皺對(duì)于葉片疲勞性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

①該試驗(yàn)選用TCR系列玻纖布，RIM135環(huán)氧樹(shù)脂體系。

②該試驗(yàn)將在 32層玻纖布的鋪層中制作出包含 8層鋪層的、高寬比為0.1的褶皺。

③對(duì)層合板(包含褶皺)做疲勞載荷分析，參照 ASTM D 3479。

2 原材料及試驗(yàn)設(shè)備

2.1 玻纖布(見(jiàn)表1)

2.2 環(huán)氧樹(shù)脂

采用RIM135。

表1 TCR玻纖布型號(hào)Tab.1 Overview of TCR glass fabrics

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

采用疲勞試驗(yàn)機(jī)。

3 層壓板鋪設(shè)

無(wú)褶皺區(qū)域：要保證玻纖方向鋪放的準(zhǔn)確性，例如，板邊緣和表面的玻纖方向要越準(zhǔn)確越好。玻纖布鋪得越平整越好，不要有褶皺、扭結(jié)或纖維波動(dòng)。為了達(dá)到該效果，在玻璃板上鋪放前將每層布和所有布層都要搟平。

有褶皺區(qū)域：在第24層至32層，制作褶皺方向＝45,°，高寬比H/W＝0.1(高5,mm、寬50,mm)，褶皺長(zhǎng)度640,mm。

修邊后平板尺寸要保證測(cè)試板核心區(qū)域不小于 1,000×400,mm。一號(hào)板輔層信息見(jiàn)表2。

表2 一號(hào)板鋪層信息Tab.2 Placement information of No.1 plate

4 層合板制作方法

①真空灌注，加熱和固化保溫時(shí)間同生產(chǎn)條件。

②樣條切割尺寸及公差需滿足 ISO 527—4，ISO 14126的要求。

5 試件載荷分析

疲勞試驗(yàn)樣條為1組 3個(gè)試樣，樣品長(zhǎng)度600,mm，寬度40,mm。

試件厚度：t＝30×0.86+2×0.59＝26.98,mm；

試件截面積：A＝w×t＝1,079.2,mm2；

極限拉伸載荷：

2.0 ,MW 葉片截面等效疲勞載荷[1]通過(guò) Markov矩陣[2]應(yīng)用下面公式轉(zhuǎn)換得到：

葉片截面L1200處彎矩沒(méi)有對(duì)應(yīng)的Markov矩陣數(shù)據(jù)，目前采用L1000處的Markov矩陣數(shù)據(jù)。由于L1000和L1200截面比較接近，L1000處載荷可以包絡(luò)L1200處載荷。經(jīng)計(jì)算二者載荷偏差在2%,以內(nèi)。

由于是玻璃鋼部件，根據(jù)GL2010規(guī)范，取m值為10。將L1000截面Markov矩陣轉(zhuǎn)換得到不同循環(huán)次數(shù)N時(shí)揮舞和擺陣方向的等效疲勞，如表3所示。

表3 2.0,MW葉片等效疲勞載荷Tab.3 Equivalence fatigue loads of 2.0 MW blade

疲勞試驗(yàn)樣條載荷通過(guò)L1000處的彎矩Mxy轉(zhuǎn)化：

其中：

Mxy：L1000處彎矩；

d：節(jié)圓直徑，d＝1.8,m(L1,000處依然看作是圓柱段)；

D：圓柱段外徑，D＝1,895,mm；

n：L1000處所分成的塊數(shù)，此處n＝πD/40＝149。

循環(huán)次數(shù)N＝710時(shí)，疲勞載荷彎矩幅值為：

5.1 循環(huán)次數(shù)N＝107

循環(huán)次數(shù)N＝710時(shí)，應(yīng)力比R＝-1時(shí)，疲勞試驗(yàn)樣條載荷幅值為：循環(huán)次數(shù) N＝710時(shí)，應(yīng)力比 R＝0.1時(shí)，應(yīng)用等損傷原理[3]計(jì)算得到疲勞試驗(yàn)樣條循環(huán)載荷為：

疲勞循環(huán)載荷最大值：Fmax=49.71,kN；

疲勞循環(huán)載荷最小值：Fmin=4.971,kN；

疲勞循環(huán)載荷幅值：Fa=22.37,kN；

疲勞循環(huán)載荷均值：Fm=27.34,kN。

5.2 循環(huán)次數(shù)N＝62× 10

循環(huán)次數(shù)N＝62× 10時(shí)，應(yīng)力比R＝0.1時(shí)，應(yīng)用等損傷原理計(jì)算得到疲勞試驗(yàn)樣條循環(huán)載荷為：

疲勞循環(huán)載荷最大值：Fmax=57.37,kN；

疲勞循環(huán)載荷最小值：Fmin=5.737,kN；

疲勞循環(huán)載荷幅值：Fa=25.82,kN；

疲勞循環(huán)載荷均值：Fm=31.55,kN。

5.3 循環(huán)次數(shù)N＝510

循環(huán)次數(shù)N＝510時(shí)，應(yīng)力比R＝0.1時(shí)，應(yīng)用等損傷原理計(jì)算得到疲勞試驗(yàn)樣條循環(huán)載荷為：

疲勞循環(huán)載荷最大值：Fmax=74.36,kN；

疲勞循環(huán)載荷最小值：Fmin=7.436,kN；

疲勞循環(huán)載荷幅值：Fa=33.46,kN；

疲勞循環(huán)載荷均值：Fm=40.9,kN。

5.4 循環(huán)次數(shù)N＝410

循環(huán)次數(shù)N＝410時(shí)，應(yīng)力比R＝0.1時(shí)，應(yīng)用等損傷原理計(jì)算得到疲勞試驗(yàn)樣條循環(huán)載荷為：

疲勞循環(huán)載荷最大值：Fmax=90.07,kN；

疲勞循環(huán)載荷最小值：Fmin=9.01,kN；

疲勞循環(huán)載荷幅值：Fa=40.53,kN；

疲勞循環(huán)載荷均值：Fm=49.54,kN。

6 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于復(fù)合材料風(fēng)電葉片，褶皺高寬比達(dá)到 0.1時(shí)，葉根位置疲勞強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)增加，呈顯著下降趨勢(shì)。對(duì)于存在褶皺的試驗(yàn)件，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增多，疲勞循環(huán)載荷的均值、極值、載荷幅值都明顯降低。■

［1］ Klesnil M，Lukas P. Fatigue of Materials[M]. Amsterdam：Elsevier Scientific Publishing Company，1980.

［2］ 謝里陽(yáng). 疲勞過(guò)程中材料強(qiáng)化和弱化現(xiàn)象探討[J]. 機(jī)械強(qiáng)度，1991(1)：32-35.

［3］ 王德俊. 關(guān)于疲勞損傷累積規(guī)律復(fù)雜性的探討[C]. 全國(guó)疲勞損傷理論研討會(huì)論文集，1992.

Influences of Wrinkles on Fatigue Resistance of Composite Wind Turbine Blades

WU Yanbo，LIU Hongliang
(Tianjin Dongqi Wind Turbine Blade Engineering CO.，LTD，Tianjin 300480，China)

Wind turbine blade is one of the main parts of wind turbine system. Due to large outline and complicated process，the blade is prone to wrinkles during placement, which will have nonignorable effects on blade performance. If glass fibers are loose，wrinkles will appear and if the fibers deviate 15,°，the strength will reduce by 50%. Once wrinkles appear on the main composite layer, blade fracture will become inevitable. As the converging point of all loads，blade root area is under complicated stresses and is prone to wrinkles. To evaluate influences of wrinkles on fatigue resistance of 2.0 MW composite wind turbine blade, this paper simulates the blade root layering structure. The results showed that the fatigue resistance decreased obviously as cycle times grew when the depth-width ratio of blade root area reached 0.1. For the sample with wrinkles，the average value，extreme value and load amplitude of fatigue cyclic loading decreased sharply as fatigue cycles grew.

composite material；wind turbine blade；wrinkle；fatigue resistance

TM315

A

1006-8945(2015)07-0064-02

2015-07-06