金屬/玻璃鋼柱殼膠接頭拉伸實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

劉　然，周　偉，李亞娟，包正宇，陳維業(yè)，李曉彤

金屬/玻璃鋼柱殼膠接頭拉伸實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

劉然1，周偉1，李亞娟1，包正宇2，陳維業(yè)1，李曉彤1

（1.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定071002；2.天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300400）

為研究膠接長度對(duì)風(fēng)電葉片柱殼膠接接頭力學(xué)性能及聲發(fā)射響應(yīng)特征的影響，對(duì)金屬/玻璃鋼柱殼試件的拉伸實(shí)驗(yàn)全過程進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明：柱殼試件拉伸過程基本為線性破壞，膠接接頭的失效模式為界面破壞，損傷多發(fā)生在膠層邊緣應(yīng)力集中處。加大膠接長度，能有效增強(qiáng)金屬/玻璃鋼柱殼試件的膠接強(qiáng)度。較大的膠接長度對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)幅度高、相對(duì)能量高、撞擊累積數(shù)多。因此，在風(fēng)電葉片復(fù)合材料葉根部位的安全評(píng)估時(shí)，可將聲發(fā)射信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化特征作為評(píng)判依據(jù)。

風(fēng)電葉片；復(fù)合材料；柱殼；拉伸實(shí)驗(yàn)；聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.028

0　引言

隨著煤、石油等傳統(tǒng)能源的消耗日益嚴(yán)重，人們?cè)絹碓街匾曪L(fēng)能的開發(fā)和利用［1］。風(fēng)電葉片是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要部件，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，因此它的質(zhì)量是保證風(fēng)電機(jī)組正常發(fā)電的決定性因素［2］。玻璃鋼（FRP）由于其輕質(zhì)量、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，成為大型風(fēng)電葉片的常用材料。發(fā)電機(jī)組的金屬螺栓一般采用膠接方式預(yù)埋到葉片根部形成柱殼結(jié)構(gòu)，而國內(nèi)葉片斷裂主要發(fā)生在葉片根部［3］；因此，對(duì)金屬/玻璃鋼柱殼膠接強(qiáng)度的研究，對(duì)確保風(fēng)電葉片正常工作具有重大意義。

聲發(fā)射技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)材料和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)損傷過程。近年來，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者將聲發(fā)射用于監(jiān)測(cè)膠接接頭的損傷破壞加載過程，從而更加全面地了解膠接接頭的損傷破壞機(jī)理。胡紹海等［4］將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到金屬膠接結(jié)構(gòu)的缺陷檢測(cè)和強(qiáng)度估計(jì)中，Mohamed等［5］利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)復(fù)合材料膠接接頭拉伸破壞的信號(hào)變化，Croccolo等［6］又將聲發(fā)射應(yīng)用到復(fù)合材料膠接接頭的缺陷評(píng)估中。然而，針對(duì)風(fēng)電葉片金屬/玻璃鋼柱殼損傷破壞的聲發(fā)射研究較少［7-11］。為此，本文對(duì)金屬/玻璃鋼柱殼試件的拉伸實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，研究其不同膠接長度的拉伸力學(xué)性能和聲發(fā)射響應(yīng)特征，為風(fēng)電葉片的安全性評(píng)估和健康監(jiān)測(cè)提供重要的參考依據(jù)。

圖1　試件加載現(xiàn)場(chǎng)圖

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1柱體和殼體材料

柱體材料為42CrMoA鋼，直徑為28mm；殼體材料采用玻璃纖維單軸向布（ECW600-1270，600g/m2）和玻璃纖維雙軸向布（E-DB800-1270（±45°），800g/m2），兩種玻璃纖維布裁剪成尺寸為200mm×200mm矩形塊。實(shí)驗(yàn)采用的環(huán)氧樹脂（Araldite LY 1564 SP）與固化劑（Aradur 3486）的質(zhì)量比為100∶34。

1.2柱殼試樣制備

采用手糊成型的方式，將裁剪的單向和多向纖維布交替纏繞在金屬螺栓上，室溫固化48h，干燥箱內(nèi)80℃后固化12 h，得到內(nèi)徑為30mm，壁厚為10mm的殼體。然后對(duì)殼體內(nèi)表面進(jìn)行加工清洗，柱體和殼體對(duì)齊后，注入相同的環(huán)氧樹脂膠液，固化獲得金屬/玻璃鋼柱殼試件，膠層厚度約為1mm，膠接接頭的長度分別為20mm和40mm。

1.3性能測(cè)試

金屬/玻璃鋼柱殼試件的拉伸實(shí)驗(yàn)在CMT5305型萬能拉壓試驗(yàn)機(jī)上完成，采用位移加載控制，加載速率為2mm/min，勻速單向拉伸。在試件拉伸過程中，同時(shí)用AMSY-5全波形聲發(fā)射儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集整個(gè)過程的聲發(fā)射信號(hào)。對(duì)于兩種不同的膠接長度，有效試件不低于6組。試件加載過程中，用1個(gè)VS150-RIC型傳感器監(jiān)測(cè)采集聲發(fā)射信號(hào)，傳感器用膠帶固定在金屬螺栓上，用高真空油脂作為耦合劑，傳感器與膠接接頭上邊緣的距離為55mm。該傳感器的內(nèi)置前置放大器的增益為34dB，頻帶寬度為100～450kHz，中心頻率為150kHz。采樣頻率設(shè)為5MHz，信號(hào)的采集閥值提高到46dB。試樣加載與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)如圖1所示。

2　結(jié)果與討論

2.1拉伸力學(xué)性能

圖2為金屬/玻璃鋼柱殼試件拉伸實(shí)驗(yàn)的載荷－時(shí)間曲線，可以看出膠接長度為40mm的試件承受的最大載荷為37.2 kN，失效強(qiáng)度為52.7MPa；膠接長度為20mm的試件承受的最大載荷為25.3 kN，失效強(qiáng)度為35.8MPa。從開始加載到螺栓與殼體完全脫離的過程中，載荷－時(shí)間曲線總體表現(xiàn)為線性，當(dāng)加載到一定載荷時(shí)，膠接接頭被破壞，螺栓與殼體完全脫離。在拉伸加載過程中，兩種試件基本表現(xiàn)為線性破壞，但膠接長度為40mm的試件承受的最大載荷大于膠接長度為20mm的試件，這是由于膠接長度決定著膠層本身的強(qiáng)度、界面結(jié)合強(qiáng)度等影響接頭強(qiáng)度的因素。因此，加大膠接長度，能有效增強(qiáng)金屬/玻璃鋼柱殼試件膠接強(qiáng)度。

圖2　柱殼拉伸載荷－時(shí)間曲線

圖3為膠接接頭破壞特征，從圖中可以看出，膠接接頭界面外觀基本光滑平整，損傷大多發(fā)生在膠層邊緣應(yīng)力集中處，該應(yīng)力集中處的損傷引起整個(gè)膠接接頭的破壞；膠黏劑內(nèi)部和殼體纖維只有少許的損傷破壞，這是因?yàn)槟z接接頭的強(qiáng)度低于膠黏劑自身的強(qiáng)度，導(dǎo)致柱殼試件膠接接頭的主要失效模式為界面破壞。

圖3　試件破壞結(jié)構(gòu)特征

2.2拉伸響應(yīng)聲發(fā)射特征

圖4為金屬/玻璃鋼柱殼試件加載過程中的聲發(fā)射信號(hào)撞擊累積數(shù)-幅度-時(shí)間歷程。根據(jù)圖中聲發(fā)射撞擊累積數(shù)和幅度的變化情況，可將整個(gè)過程分為起始演化階段和拉脫破壞階段。從圖4（a）中可知膠接長度為40mm的試件在起始演化階段出現(xiàn)的聲發(fā)射信號(hào)幅度大部分低于70dB，且聲發(fā)射撞擊累積數(shù)變換緩慢；隨著載荷的增加，加載進(jìn)入拉脫破壞階段，此時(shí)膠接接頭開始出現(xiàn)損傷，出現(xiàn)大量的聲發(fā)射信號(hào)，幅度高于80 dB的開始增多，最高可達(dá)99.8 dB，且聲發(fā)射撞擊累積數(shù)急劇增加，直至膠接接頭完全拉脫。圖4（b）與圖4（a）相比，起始演化階段的聲發(fā)射信號(hào)更少，且幅度較低，大部分低于60 dB；進(jìn)入破壞拉脫階段，聲發(fā)射信號(hào)開始增加，出現(xiàn)了少量幅度大于80 dB的信號(hào)，整個(gè)加載過程中，撞擊累積數(shù)明顯少于膠接長度為40mm的試件。

圖4　聲發(fā)射信號(hào)撞擊累積數(shù)－幅度－時(shí)間圖

圖5　柱殼試件載荷-相對(duì)能量-時(shí)間圖

對(duì)比圖4（a）和圖4（b）可以看出，兩種試件的聲發(fā)射信號(hào)幅度和撞擊累積數(shù)變化規(guī)律大致相同；但膠接長度為40mm的試件聲發(fā)射事件明顯更多，且加載過程中的信號(hào)幅度和撞擊累積數(shù)均高于膠接長度為20mm的試件，這也與圖3中殼體纖維的破壞有關(guān)。因此，膠接長度越大，對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射事件越多，撞擊累積個(gè)數(shù)越高，信號(hào)的幅度越高。

圖5為金屬/玻璃鋼柱殼試件加載過程中的載荷－相對(duì)能量－時(shí)間歷程圖。從圖5（a）中可以看出，膠接長度為40mm的試件在加載的初始階段由于膠接接頭并無損傷，所以未出現(xiàn)明顯的聲發(fā)射能量釋放；隨著載荷的繼續(xù)增加，20 s后，進(jìn)入拉脫破壞階段，聲發(fā)射事件越來越多，其相對(duì)能量越來越高，直至膠接接頭完全拉脫，此時(shí)對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射相對(duì)能量最高，數(shù)值為323000，整個(gè)拉伸過程持續(xù)87s。圖5（b）中可以看出，膠接長度為20mm的試件在初始階段與圖5（a）相似，并未釋放明顯的聲發(fā)射信號(hào)；隨著載荷的繼續(xù)增加，在20s后，進(jìn)入拉脫破壞階段，開始出現(xiàn)聲發(fā)射事件，但其相對(duì)能量數(shù)值遠(yuǎn)低于圖5（a），直至膠接接頭完全拉脫，才出現(xiàn)高能量聲發(fā)射事件，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最高相對(duì)能量為186240，整個(gè)拉伸過程持續(xù)62 s。

對(duì)比圖5（a）和圖5（b）可知，兩種試件在整個(gè)加載工程中，相對(duì)能量變化規(guī)律大致吻合，初試演化階段均無明顯的聲發(fā)射能量釋放；隨著載荷的增大，同時(shí)在20 s時(shí)進(jìn)入了拉脫破壞階段，膠接長度為40mm的試件在此階段聲發(fā)射的相對(duì)能量高于膠接長度為20mm的試件，且拉脫破壞階段持續(xù)時(shí)間更長；這是因?yàn)殡S著膠接長度的增加，膠接面積變大，應(yīng)力集中更加明顯，能夠采集到的聲發(fā)射信號(hào)更多。上述結(jié)果進(jìn)一步證明了膠接接頭應(yīng)力集中區(qū)域引起的整個(gè)膠層破壞與其對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)相關(guān)，可為柱殼結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)提供重要依據(jù)。

3　結(jié)束語

1）風(fēng)電葉片金屬/玻璃鋼柱殼試件的拉伸過程基本表現(xiàn)為線性破壞，直至增大到一定載荷，膠接接頭斷開，接頭的失效模式為界面破壞，損傷大多發(fā)生在膠層邊緣應(yīng)力集中處，該處的損傷引起整個(gè)膠接接頭的破壞。

2）兩種膠接長度的試件在初始階段出現(xiàn)低幅度的聲發(fā)射信號(hào)，其相對(duì)能量較低，撞擊累積數(shù)少，進(jìn)入拉脫破壞階段，聲發(fā)射事件明顯增多，出現(xiàn)高幅度信號(hào)，撞擊累積數(shù)持續(xù)增多，對(duì)應(yīng)較高的聲發(fā)射相對(duì)能量。加大膠接長度，能有效增強(qiáng)金屬/玻璃鋼柱殼試件的膠接強(qiáng)度。

3）在整個(gè)拉脫加載過程中，較大的膠接長度對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)幅度和相對(duì)能量較高、撞擊累積數(shù)較多。聲發(fā)射信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化特征可作為風(fēng)電葉片葉根部位安全評(píng)估的重要依據(jù)。

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Acoustic em ission monitoring for adhesive joints of Metal/FRP cylinder-shell under tensile test

LIU Ran1，ZHOU Wei1，LI Yajuan1，BAO Zhengyu2，CHEN Weiye1，Li Xiaotong1
（1.College of Quality and Technology Supervision，Hebei University，Baoding 071002，China；2.Tianjin Cement Industry Design&Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300400，China）

In order to study influences that different lengths affect mechanical properties and acoustic emission（AE）responding characteristics of adhesive joints of wind turbine blade Metal/ FRP cylinder-shell，the whole progresses of tensile tests were monitored by AE.The results show that the load-time curve of cylinder-shell specimens is basically linear and the failure mode is the interfacial failure，and the damage evolutions are mostly occurred in the edge of the adhesive layer.Increasing the length can effectively improve the bonding strength of Metal/FRP cylindershell specimens.Higher AE amplitude，relative energy and more cumulative hits are connected with the damage process of specimens with longer length.Therefore，dynamic characteristics of AE signals can provide evidences for security evaluation of wind turbine blades composite roots.

wind turbine blade；composite material；cylinder-shell；tensile test；acoustic emission monitor

A

1674-5124（2015）05-0125-04

2014-11-21；

2015-01-19

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E2012201084）河北大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（2014074）

劉然（1990-），男，河北唐山市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閺?fù)合材料聲發(fā)射檢測(cè)研究。