風力機葉片蒙皮微裂紋早期損傷演化分析

周 勃，馬天暢，俞方艾，陳長征

（1.沈陽工業(yè)大學建筑與土木工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工業(yè)大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870）

1 引言

作為可再生能源和綠色能源，風能已成為許多國家新能源系統(tǒng)的支柱，被公認為可靠且經濟實惠的電力來源[1-3]。風力機葉片大多采用玻璃纖維環(huán)氧樹脂復合材料，由于風力機野外工作環(huán)境惡劣，葉片蒙皮在隨機風載荷作用下容易萌生疲勞裂紋并逐漸演化，而降低葉片強度，甚至產生災難性的破壞[4]。且微裂紋在演化過程中沒有系統(tǒng)的，規(guī)律性的研究。因此，早期識別葉片蒙皮微裂紋的演化情況有利于預測微裂紋擴展的形狀演化并減少由于該過程而造成的損失。

文獻[5]對微裂紋動態(tài)起始擴展的能量釋放率進行了數值研究，發(fā)現動態(tài)計算結果對于微裂紋的持續(xù)擴展更有利，同時也更加合理的解釋了微裂紋運動失穩(wěn)的現象。文獻[6]建立了微裂紋生長模型和損傷演化模型，并利用聲發(fā)射跟蹤了微裂紋的損傷演化過程，并提出了微裂紋的尺度生長對于完整認識材料的宏觀性能和預測材料災變具有重要意義。文獻[7]建立了微裂紋擴展的彈塑性損傷細觀力學模型，考慮了不同長度的微裂紋損傷過程的宏觀塑性特征，并得到了數值模擬結果與試驗結果的一致性。文獻[8]利用有限元法研究了微裂紋的存在對宏觀裂紋擴展的影響，結果表明數值計算結果有助于結構的安全設計。文獻[9]利用Matlab 給出了疲勞裂紋損傷模型，并進行了疲勞壽命的評估。但由于塑性力學的不全面性，將其應用到損傷過程的分析需對很多條件進行一定的簡化，其簡化條件應用在風力機葉片微裂紋的分析就會出現很多的問題，其簡化條件不符合實際情況。因此，對具有預制微裂紋的風力機葉片進行拉伸試驗以及有限元仿真，同時，由于溫度可以代表整個損傷過程的能量釋放，進而從能量角度來發(fā)現微裂紋擴展過程的損傷機理，并得到風力機葉片微裂紋擴展過程的溫度與應力之間的關系。

設備或過程的溫度監(jiān)測已被確定為最佳預測維護方法之一[10]。而紅外熱像作為溫度演化最明顯的檢測手段，正被廣泛應用于對微裂紋的實時監(jiān)測，同時紅外熱像技術也被證實能夠對風力機葉片等復合材料的缺陷進行無損檢測[11]。文獻[11]提出了一種利用紅外熱像進行風力葉片維修過程中缺陷檢測的可行性研究，檢測結果表明利用紅外熱像的檢測方法能夠通過溫度的變化來檢測風力機葉片蒙皮處的裂紋，但卻沒有研究把力學因素同溫度一同考慮在內并建立關聯。前人的研究說明力和溫度的變化均可以用來檢測葉片蒙皮的裂紋，但卻沒有研究在該過程中兩者之間的相互聯系及影響作用，因此基于應力對能量耗散的影響，通過對具有預制微裂紋的風力機葉片試件進行拉伸試驗，并利用紅外熱像儀檢測其表面溫度變化，分析微裂紋在拉伸載荷條件下，其擴展過程溫度變化規(guī)律，同時并利用ANSYS 模擬了相同尺寸微裂紋的演化情況，從而揭示風力機葉片微裂紋擴展過程中受應力影響的溫度變化情況，并對風力機葉片蒙皮微裂紋的早期損傷演化進行研究。該研究能夠從溫度和應力兩個方面共同了解微裂紋的演化過程，其相互之間的關系能夠更加清晰明確的了解微裂紋擴展過程中的能量轉化情況，提供損傷狀態(tài)的有效判斷依據。

2 試驗

2.1 試驗系統(tǒng)

試驗采用的葉片試件為玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料層合板，纖維鋪層方式為［0°/90°］s，試件按固化工藝手工糊制并在熱壓機上熱壓固化后裁剪制成。依據GB/T16779-2008 纖維增強塑料層合板疲勞性能實驗方法，并參考了GB/T6368-2000 金屬材料疲勞裂紋擴展率試驗方法，最后確定試件A 的尺寸為長200mm×寬30mm，單層厚度約為0.5mm，共30 層，進行試驗前，為了避免應力集中，采用電火花加工方式在試件中間預制2mm左右的微裂紋，并用砂紙將裂紋處斷裂的纖維打磨光滑，使其與試件表面光滑度達到一致，試件形狀及尺寸，如圖1 所示。拉伸試驗在WAW-300B 伺服萬能試驗機上進行。最大試驗力為300kN，試驗力示值相對誤差≤示值的±1%，試驗力測量范圍為最大試驗力的（2～100）%，等速位移控制范圍為（0.5～50）mm/min。試樣夾具上制有特殊花紋，以加大夾具與試樣之間的摩擦力，防止相對滑動。

圖1 試件尺寸Fig.1 The Specimen Size

并使用NEC R300 紅外熱像試驗系統(tǒng)實時記錄裂紋擴展過程試件表面的溫度變化，該紅外熱像儀的精度為1℃，溫度分辨率為0.05℃，幀頻頻率范圍為（8.5～60）Hz，該試驗為確保準確記錄試件表面溫度的變化，設定為每隔3s 進行一次間隔拍照。試驗裝置，如圖2 所示。

圖2 試驗裝置Fig.2 Experimental Setup

2.2 試驗準備情況

整個試驗要求所處的環(huán)境為恒溫恒濕狀態(tài)，以避免對紅外熱像儀的溫度變化產生影響，紅外熱像儀在使用前需事先進行校準，以保證得到清晰的圖像，試驗時，需保證紅外熱像儀與試件在同一水平線上，試件圖像位于熱像儀屏幕中間，調整好整個圖像中的溫差范圍。根據該紅外熱像儀的焦距范圍，保持紅外熱像儀與試件之間的水平距離為（20～30）cm 為最佳的拍攝距離。試驗時夾具兩端夾在預制裂紋兩端上下各3cm 左右，目的是為了防止由于夾具和試件接觸處出現應力集中而預先斷裂。調整試驗機上下兩夾具在同一垂直中心線上，確保拉伸時試樣方向即為拉伸方向并進行拉伸試驗。試驗為單軸拉伸試驗，該過程采用位移控制方式，以0.17mm/s 進行。為提高試件表面的發(fā)射率，選擇在試件中部表面涂上一層具有較高發(fā)射率的亞光黑清漆，以便減小測量誤差。

2.3 紅外熱像圖的處理

在試驗過程中，剛開始由于試件承受的載荷較小，試件本身沒有明顯的塑性變形，其變形主要是組成試件材料的彈性變形和初始微裂紋的滑移變形，不足以導致復合材料纖維的斷裂，消耗能量較少。但當載荷逐漸增加時，試件內部強度較低的基體首先發(fā)生破壞，微裂紋不斷發(fā)展，能量逐步釋放，便會偶爾聽到噼啪的響聲，同時并伴隨著刺激性氣味的產生。所得紅外熱像圖，如圖3所示。當試件受力時，如圖3（b）所示。裂紋尖端溫度有較明顯的升高趨勢，與圖3（a）相比升高了0.5℃，當拉伸達到3177s 時，如圖3（c）所示。裂尖溫度也在逐漸升高，直到達到4056s 時，如圖3（d）所示。溫度升高的幅度并不是特別明顯，這表明當復合材料整體受載時，拉伸初期處于平穩(wěn)階段，所加在試件上的應力不足以引起基體的破壞，試件表面溫度也并沒有明顯的變化，裂尖溫度由最初的28.4℃升高到了29.2℃，接著，隨著試件所受力的增大，如圖3（e）所示。溫度在（4056～5100）s 出現明顯的升高情況，該現象表明：應力通過基體傳遞至增強體，復合材料整體在拉伸方向發(fā)生形變，由于增強體對基體的強烈約束，使得包含增強體部分的基體變形較小，而不含增強體的部分其形變量較大。由于風力機葉片采用玻璃纖維來增強，當微裂紋擴展遇到玻璃纖維時，由于其高彈性模量使得微裂紋無法穿過，在增強體內部產生斷裂，釋放了一部分能量，則該纖維出現明顯的溫度升高，當試件拉伸到5982s 時，裂尖溫度此時為32.0℃，如圖3（f）所示。此時與圖3（e）相比，溫度升高了0.7℃，與裂紋初始溫度相比升高了3.6℃，該明顯的溫升是由于裂紋的擴展，使得在增強體周圍產生集中應力，此時界面就會出現裂紋脫粘現象，此時的溫度場也具有與之前明顯的變化，最終導致玻璃纖維與基體之間發(fā)生界面脫離現象而導致纖維斷裂。

圖3 不同時刻紅外熱像圖Fig.3 Infrared Thermal Images at Different Times

由此可見，試驗過程中，溫度升高的區(qū)域是由試件損傷過程中的塑性效應（不可逆變形）引起的，溫升值越大，塑性變形程度越高，試件的損傷程度越嚴重。通過分析紅外熱像儀測得的熱像圖可以發(fā)現，溫度升高較快區(qū)域的力學性能較差，產生了明顯的應力集中現象，容易形成疲勞裂紋并且較快的擴展。

3 微裂紋擴展有限元分析

對試驗試件尺寸和微裂紋情況進行了ANSYS 仿真，目的是為了得到微裂紋演化過程中應力場變化的情況，并同紅外熱像的溫度云圖進行對比。

微裂紋擴展的過程是一個不均勻的加熱過程，裂紋處溫度較高，隨著裂紋的擴展產生的溫度的升高影響裂紋溫度的梯度變化，而遠離裂紋的區(qū)域受熱源溫度影響較小，只依靠單元和節(jié)點的傳遞發(fā)生變化，所以在劃分網格時，為了較精確的反映裂紋區(qū)溫度場的變化和更好的收斂，將裂紋區(qū)的網格用較細的映射網格劃分，將遠離裂紋區(qū)域采用較疏的映射網格劃分，裂紋過渡區(qū)域采用自由網格劃分可以更好的提高計算精度。根據試件尺寸和預制微裂紋的情況，選用斷裂分析中裂紋的20 節(jié)點等參單元SOLID186 單元，密度ρ=2550kg/m3，彈性模量E11=138GPa，E22=E33=10.16GPa，剪切模量G12=G23=5.86GPa，G13=4.97GPa，泊松比υ12=υ13=0.28，υ23=0.3。

為了與試驗進行對比，在該模型上施加相同情況的力，即底端固定，上端加100kN 大小的載荷，時間步長為1s，選取與試驗中溫度云圖相同時間點的應力分布，得到裂紋擴展的過程隨時間的變化圖像，裂紋擴展的第一主應力的應力分布，如圖4 所示。Von-Mises 應力分布，如圖5 所示。通過對于與試驗相一致的試件進行有限元模擬結果表明：隨著時間的變化，由圖4～5（a）到圖4～5（f），裂紋張開的角度逐漸增大，裂紋尖端附近存在的塑性區(qū)將導致裂紋尖端的表面張開程度也逐漸增大，體現為裂紋的張開位移逐漸增大，但該數值并不能直接度量裂紋擴展的情況，也需要借助應力的大小和分布，由圖可知，該過程中應力最大值一直處于裂紋尖端部分且所受應力逐漸增大，說明此時出現應力集中現象，而應力最低點則始終保持位置不變，逐漸遠離裂紋尖端的部位其應力逐漸減小。因此，微裂紋尖端處為最易破壞的點，該有限元模擬云圖分布完全符合基本Von-Mises 應力分布準則，表明該模擬過程是符合實際要求條件的，且對于風力機葉片微裂紋的研究應主要集中在裂紋尖端，即判斷微裂紋尖端是否達到破壞條件，并盡早提出解決辦法。

圖4 第一主應力分布Fig.4 Distribution of First Principal Stress

圖5 Von-Mises 應力分布Fig.5 Distribution of Von-Mises Stress

根據試驗過程中得到的紅外熱像圖中的溫度，以及仿真過程中得到的第一主應力和Von-Mises 應力隨微裂紋擴展過程的變化情況，得到的主要參數變化情況，如表1 所示。

表1 試驗和仿真過程得到的主要參數Tab.1 Main Parameters in the Process of Experiment and Simulation

隨著試驗載荷的增加，溫度呈逐漸上升的趨勢，與此同時，仿真過程中得到的第一主應力和Von-Mises 應力值也呈現相同的變化趨勢，由此可以看出在微裂紋的早期擴展過程中，溫度和應力的變化始終成正比例變化關系，且微裂紋擴展的時間越長，溫度升高的幅度越大，裂紋尖端所受應力值也越大，說明微裂紋擴展后期屬于較為危險的時期，需要及時對其進行狀態(tài)監(jiān)測并在必要時進行維護或更換。

4 結論

（1）隨著應力的逐漸增大，微裂紋附近處溫度也在逐漸增加，表明在微裂紋的演化過程中，溫度與應力始終成正比例關系。

（2）通過紅外熱像圖發(fā)現，在整個拉伸過程盡管存在偶爾的溫度持平，但整體都處于升高狀態(tài)，表明該過程的能量均用于材料的變形，不導致表面的溫升；溫度的升高經歷了由慢到快的過程，并在最后一刻出現溫度的急劇升高，積聚在試件內的能量大量釋放。

（3）有限元和試驗都表明，拉伸過程中，微裂紋尖端為整個試件最危險的部位。因此，對于微裂紋的早期診斷和監(jiān)測就顯得尤為重要。