風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)合材料裂尖溫度場及微觀損傷研究

王琳琳，陳長征，周勃，孫宇夢，康爽，杜金堯

風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)合材料裂尖溫度場及微觀損傷研究

王琳琳，陳長征，周勃，孫宇夢，康爽，杜金堯

（沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧省 沈陽市 110870）

依據(jù)熱力耦合建立含微缺陷葉片的裂尖溫度場數(shù)值模型，并研究了微缺陷葉片斷裂微觀損傷方式。首先，建立裂尖溫度場數(shù)學(xué)模型需要確定塑性區(qū)范圍和塑性區(qū)內(nèi)的內(nèi)熱流密度函數(shù)。基于正交各向異性復(fù)合材料裂紋尖端應(yīng)力場和Tsai-Wu屈服準(zhǔn)則理論推導(dǎo)，得到含微缺陷風(fēng)電葉片I/II復(fù)合型裂紋的塑性區(qū)范圍；內(nèi)熱流密度函數(shù)按照裂紋擴(kuò)散規(guī)律構(gòu)造。其次，利用電子掃描電鏡技術(shù)對葉片試件的斷口失效微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測。通過紅外熱像儀監(jiān)測微缺陷葉片試件表面溫度實驗，驗證了裂尖溫度場計算模型的準(zhǔn)確性；確定計算溫度場模型中內(nèi)熱流密度函數(shù)冪數(shù)為2；通過顯微技術(shù)發(fā)現(xiàn)含氣泡缺陷的葉片試件有纖維斷裂、基體開裂損傷方式。

風(fēng)力機(jī)葉片；紅外熱像；熱耗散；裂尖溫度場；微觀結(jié)構(gòu)；損傷；氣泡缺陷；熱流密度函數(shù)

0 引言

葉片是風(fēng)力機(jī)關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣、質(zhì)量可靠性直接影響整個機(jī)組運(yùn)行[1-2]。葉片材質(zhì)主要采用具有強(qiáng)度高、剛度高、耐腐蝕性特點的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(glass fiber reinforced polymer，GFRP)[3]。葉片在制造過程中容易產(chǎn)生多種微缺陷[4]，帶有微缺陷的葉片在載荷和惡劣環(huán)境下，能夠使微缺陷擴(kuò)展、積累，最后導(dǎo)致葉片斷裂[5-6]。工程上可以把微缺陷看作微裂紋，受到外載荷作用后微裂紋尖端存有塑性區(qū)。在塑性區(qū)內(nèi)產(chǎn)生塑性功，部分塑性功可以轉(zhuǎn)化為熱耗散[7]。紅外熱成像技術(shù)具有快速直觀、定位精準(zhǔn)、熱靈敏性特點，能夠監(jiān)測材料表面溫度變化[8]。

Palumbo等[9]利用材料裂紋尖端溫度變化確定材料疲勞極限。Liakat等[10]研究了復(fù)合材料在循環(huán)載荷作用下，由溫度變化確定材料剩余疲勞壽命。Naderi等[11]利用紅外熱像技術(shù)監(jiān)測玻璃纖維復(fù)合材料中裂紋尖端溫度變化，研究了復(fù)合材料疲勞過程的損傷能。樊俊鈴等[12]應(yīng)用有限元數(shù)值模擬方法研究了裂紋尖端溫度信號變化與裂紋擴(kuò)展速率、應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的關(guān)系。以上研究說明研究材料在外載作用下裂紋尖端溫度場是重要課題，但從解析計算研究葉片復(fù)合材料裂紋尖端溫度場甚少。

葉片是由纖維、基體和界面構(gòu)成的復(fù)合材料，比金屬材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜。塑性功的另一部分留在材料中將影響材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化[13]，觀察葉片斷口失效的微觀結(jié)構(gòu)有利于研究葉片疲勞損傷模式。

本文首先推導(dǎo)葉片復(fù)合材料的裂紋尖端溫度場計算模型；再利用紅外熱像技術(shù)監(jiān)測微缺陷葉片試件在靜拉伸斷裂時表面溫度，通過實驗驗證葉片復(fù)合材料溫度場計算模型的準(zhǔn)確性和可行性；最后再利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SME)技術(shù)檢測葉片試件斷口損傷模式。

1 理論基礎(chǔ)

葉片是由無堿玻璃纖維布鋪設(shè)形成的復(fù)合層板，假設(shè)纖維鋪設(shè)方向與方向夾角為，此時葉片正應(yīng)力會引起剪應(yīng)變，剪應(yīng)變又會引起線應(yīng)變，因此在葉片內(nèi)部出現(xiàn)交叉效應(yīng)，可以把風(fēng)力機(jī)葉片看作正交各向異性體[14-15]。微裂紋擴(kuò)展時，裂紋尖端塑性區(qū)的形狀和大小影響著裂紋尖端溫度場。

1.1 正交各向異性復(fù)合材料塑性區(qū)

1.1.1 正交各向異性復(fù)合材料裂紋尖端應(yīng)力場

外力作用下裂紋尖端附近的材料發(fā)生屈服，導(dǎo)致裂尖附近出現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)力場。

正交各向異性的葉片復(fù)合材料的坐標(biāo)軸與彈性主軸重合，則葉片復(fù)合材料本構(gòu)方程為

若不計體積力，正交各向異性葉片復(fù)合材料的平衡方程和變形協(xié)調(diào)方程分別為：

由式(1)—(6)得到正交各向異性葉片復(fù)合材料平面問題方程：

式中：22=1/2；12=-21/2；66=1/12；11=1/1。

由于葉片工作時受到正應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用，會導(dǎo)致葉片產(chǎn)生I/II型復(fù)合型裂紋。

1.1.2 復(fù)合材料屈服準(zhǔn)則

復(fù)合材料失效屈服準(zhǔn)則中，Tsai-Wu屈服準(zhǔn)則是描述最為全面、成熟的準(zhǔn)則。其他準(zhǔn)則都是根據(jù)待定的加載和受力條件，基于Tsai-Wu屈服準(zhǔn)則簡化而得到。

假定在應(yīng)力空間中的破壞表面存在下列形式：

在平面應(yīng)力下，式(11)可以表達(dá)為

1.1.3 正交各向異性葉片復(fù)合材料的塑性區(qū)

將式(8)—(10)代入式(12)得

1.2 裂紋尖端溫度場

裂紋尖端溫度場變化與很多參數(shù)有關(guān)，如材料熱傳導(dǎo)系數(shù)、材料熱擴(kuò)散系數(shù)、塑性區(qū)內(nèi)熱流密度等。為了能夠?qū)α鸭y尖端溫度場進(jìn)行數(shù)值計算，假定這些參數(shù)不隨時間、位置變化，是固定不變值。

因為內(nèi)熱流密度函數(shù)變化規(guī)律與裂紋張開位移的變化規(guī)律相同，則設(shè)內(nèi)熱流密度函數(shù)形 式為

正交各向異性葉片復(fù)合材料微裂紋處熱傳導(dǎo)方程[15]為

通過式(16)—(18)，可以確定葉片復(fù)合材料裂紋溫度場的內(nèi)熱流密度函數(shù)。

2 實驗過程

2.1 試件材料及形狀

氣泡缺陷是葉片制造過程中常見缺陷，本實驗以含氣泡缺陷的葉片試件為研究對象。按照GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗》方法制作試件，葉片試件是由無堿玻璃纖維布和環(huán)氧樹脂制造的層合板，鋪層選用[0/90]NT的鋪設(shè)方式。人為制造氣泡缺陷如圖1所示，試件制作選取第2層為缺陷層。試件幾何形狀及尺寸如圖2所示。

圖1 氣泡缺陷層圖

圖2 試件形狀、尺寸圖

2.2 實驗系統(tǒng)和實驗過程

實驗中有MTS 810伺服液壓實驗機(jī)和NEC R300紅外熱像儀，MTS 810伺服液壓實驗機(jī)給葉片試件施加拉力，紅外熱像儀監(jiān)測試件表面溫度。

實驗前，利用細(xì)砂紙對葉片試件表面邊棱角進(jìn)行打磨，主要是減小或消除棱角處應(yīng)力集中。實驗過程要求密閉恒溫的狀態(tài)，防止其他因素影響實驗。

首先，對試件進(jìn)行預(yù)實驗。以保證試件與MTS810夾頭接觸良好，防止試件脫離實驗機(jī)的夾頭，使實驗順利完成。

再次，調(diào)整紅外熱像儀位置。紅外熱像儀放置試件外側(cè)，使鏡頭與試件表面垂直，在實驗中測量前調(diào)準(zhǔn)后，測量過程中不再調(diào)節(jié)，保持統(tǒng)一的測量標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過調(diào)整紅外熱像儀距離試件大概50 cm處。安裝好的實驗系統(tǒng)如圖3所示。

葉片試件的靜拉伸實驗采用位移控制方式，本實驗中采用0.5mm/s的速度進(jìn)行。

圖3 實驗系統(tǒng)圖

3 實驗分析及結(jié)果

3.1 葉片復(fù)合材料塑性區(qū)和內(nèi)熱流密度函數(shù)的確定

圖4 平面應(yīng)力下的復(fù)合型裂紋塑性區(qū)范圍圖

再次，確定塑性區(qū)的內(nèi)熱流密度函數(shù)。利用公式(16)—(18)，并且為大于1的整數(shù)，分別計算不同值的表面溫度變化。通過紅外熱像儀監(jiān)測葉片試件表面溫度得到的實驗值與裂紋尖端溫度場不同冪次的解析計算值，如圖5所示。由 圖5可知，葉片試件表面溫度先是隨時間下降，達(dá)到最低點時迅速回升，溫度再逐步升高。計算的裂紋尖端溫度場解析結(jié)果，與實驗真實溫度變化相同。溫度場解析結(jié)果受到熱流密度函數(shù)的冪次數(shù)值影響，值越大，解析結(jié)果值也越大，與實驗值相差也越大。當(dāng)值為2時，解析結(jié)果與實驗值最相近，經(jīng)過計算有5.4%誤差。

3.2 葉片復(fù)合材料斷口微觀分析

材料在外力作用下發(fā)生不可逆熱力學(xué)過程，部分塑性功轉(zhuǎn)化為熱耗散，剩下塑性功轉(zhuǎn)化為改變材料內(nèi)部微觀顯微結(jié)構(gòu)的能量。葉片是不均勻、多向異性材料，其損傷與金屬材料不同，常見的有纖維斷裂、基體開裂、界面脫粘、分層損傷等模式[16]。有時可能是一種損傷方式，有時多種損傷方式同時存在。

含氣泡缺陷葉片試件實驗結(jié)束后，采用HITACHI S-3400N型SEM對葉片試件的失效斷口進(jìn)行了細(xì)觀形貌檢測，如圖6所示。

圖6中的實線代表纖維斷裂、虛線代表基體開裂。由于氣孔缺陷制造，使環(huán)氧樹脂與無堿纖維布發(fā)生分離，缺陷本身造成葉片試件的承載能力小。在有氣孔缺陷的位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力受到載荷作用下沿著最大應(yīng)力的纖維方向移動。因氣孔缺陷造成纖維與基體相結(jié)合地方不夠牢固，但纖維的承載能力要比基體承載能力大，進(jìn)而造成不牢靠的地方出現(xiàn)基體開裂。由于基體開裂導(dǎo)致葉片試件的承載能力下降，導(dǎo)致應(yīng)力發(fā)生在脆弱的纖維上發(fā)生了纖維斷裂疲勞損傷方式。從SME中可以看出，葉片缺陷的存在對疲勞損傷是有影響的，宏觀看不到變化，但是微觀方面能夠看到疲勞損失方式。

圖5 溫度的實驗值與解析值

(a) 斷口細(xì)觀形貌圖

(b) 放大失效細(xì)觀形貌圖

圖6 試件斷口形貌的SEM照片

Fig. 6 SEM photographs of fracture morphology specimen

4 結(jié)論

1）利用紅外熱像技術(shù)監(jiān)測氣泡缺陷葉片試件實驗中表面溫度變化，發(fā)現(xiàn)試件溫度先是下降，再逐步升高直到斷裂。

2）通過紅外熱像技術(shù)，驗證了微缺陷葉片復(fù)合材料裂尖溫度場計算模型的準(zhǔn)確性。通過計算得到葉片復(fù)合材料裂紋尖端塑性區(qū)為不對稱橢圓形，并且內(nèi)熱流密度函數(shù)的冪數(shù)為2。

3）通過靜拉伸斷裂實驗可知，含氣泡缺陷葉片試件有纖維斷裂、基體開裂等多種損傷形式。

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Study on Crack Tip Temperature Field and Microstructure Damage for Wind Turbine Composite Blade

WANG Linlin, CHEN Changzheng, ZHOU Bo, SUN Yumeng, KANG Shuang, DU Jinyao

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, Liaoning Province, China)

The crack tip temperature field of blade with micro-defect based on the thermo-mechanical was studied. The microstructure damage mode of specimen fracture was proposed. The numerical model of the crack tip temperature field was established by the plastic zone and the internal heat flux density function. The plastic zone boundary model of I/II crack propagation with micro-defects wind turbine blade was deduced by crack tip stress of orthotropic composite and Tsai-Wu failure criterion. The heat flux density function of crack tip temperature field was constructed by crack propagation law. The fracture failure microstructure of the blade specimen was examined by scanning electron microscopy(SEM). The surface temperature of wind blade specimen with micro-defect by infrared thermography was monitored. The surface temperature of specimen was consistent with numerica result of crack tip temperature field. The power of heat flux density function is 2. It was found that the damage modes of blade specimen with bubble defects were fiber fracture, matrix cracking.

wind turbine blades; infrared thermography; heat dissipation; crack tip temperature field; microstructure; damage; bubble defect; heat flux density function

10.12096/j.2096-4528.pgt.19007

2019-01-21。

國家自然科學(xué)基金資助項目(51575361，51675350)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of hina (51575361，51675350)。

(責(zé)任編輯 辛培裕)