李亞娟，周偉，劉然，梁曉敏，李志遠

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

風能以其資源豐富、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)《中國風電發(fā)展報告2012》預測，到2020年，中國風電累計裝機容量將在200～300GW［1］.玻璃纖維復合材料具有強度高、比模量高、抗疲勞性能好等優(yōu)點，是風電葉片最常用的材料［2］.受制造工藝等因素影響，風電葉片復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，最終導致風電葉片的失穩(wěn)破壞［3－4］.因此，為保障風電葉片機組的安全穩(wěn)定運行，需要對風電葉片復合材料I型分層的損傷演化特性進行研究.

聲發(fā)射檢測參數(shù)分析是通過內(nèi)部缺陷在萌發(fā)和擴展的動態(tài)過程中發(fā)出的應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)學者將聲發(fā)射技術(shù)應用于監(jiān)測風電葉片損傷的發(fā)現(xiàn)、定位和嚴重程度分級［5－9］.Joosse和Blanch等［5］在風電葉片靜力和疲勞測試中應用聲發(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示葉片失效.Anastassopoulos和Kouroussis等［6］應用模式識別軟件對相似葉片進行完整度評估和損傷分級.但國內(nèi)外針對風電葉片復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合材料為研究對象，對試件進行拉伸實驗，并進行聲發(fā)射全程監(jiān)測，研究了復合材料I型分層在拉伸過程的損傷演化特性和聲發(fā)射響應特征，從而更加全面、深入地了解復合材料層間開裂的損傷破壞機理，為復合材料結(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)氧單向預浸料（G20000，單層厚度0.17mm）和多軸向預浸料（KT900，單層厚度1mm，0°，＋45°，－45°方向纖維質(zhì)量比為50%，25%，25%）均購于威海光威復合材料有限公司.首先將預浸料鋪設(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制裂紋，經(jīng)加熱、加壓固化后獲得復合材料層板.單向復合材料鋪設(shè)20層，實際厚度約為3.3mm.多軸向復合材料鋪設(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，預制裂紋長度為60mm.

1.2 力學加載與聲發(fā)射

試件的單向拉伸過程在CMT5305型萬能拉壓試驗機（深圳新三思有限公司）上進行.拉伸過程的同時應用AMSY－5全波形聲發(fā)射儀（德國Vallen公司）對聲發(fā)射信號進行采集及記錄.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，傳感器與預制裂紋尖端距離為60mm.

2 結(jié)果及討論

2.1 復合材料I型分層擴展力學響應與破壞特征

復合材料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中標注所示.第1階段載荷與張開位移呈線性關(guān)系，由于預制裂紋的存在，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 復合材料載荷－張開位移曲線Fig.2 Load－opening displacement curve of composite

圖3 復合材料的破壞特征Fig.3 Damage characteristics of composite materials

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

2.2 復合材料I型分層擴展聲發(fā)射響應行為

復合材料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，單向復合材料試件加載起始階段，由于預制裂紋的存在，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，隨著裂紋的不斷擴展，出現(xiàn)了大量的聲發(fā)射信號，其中幅度值最高達99.8dB，大量的損傷破壞導致撞擊累積計數(shù)近似直線趨勢迅速增高.

多向復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；隨著裂紋不斷擴展至破壞，在破壞瞬間出現(xiàn)的幅度值高達100dB，撞擊累積計數(shù)同單向復合材料，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.這也是由于多向復合材料在分層擴展過程中，±45°方向纖維會影響裂紋的擴展速度，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)宏觀裂紋擴展；隨著裂紋緩慢擴展至試件最終破壞，載荷增至最大，聲發(fā)射相對能量達到最高值11 980.在載荷驟降并達到恒定的過程中，相對能量也隨之下降并平穩(wěn)變化.

從圖5b可以看出，多向復合材料試件在加載過程中的最大相對能量與單向復合材料相差不大.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?shù)停浑S著多向復合材料損傷累積，載荷曲線呈非線性變化，產(chǎn)生的聲發(fā)射事件越來越多，相對能量相應的逐漸增高；當試件最終破壞時，對應的聲發(fā)射相對能量達到最高值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，此時對應最高的聲發(fā)射相對能量和加載載荷值.

圖5 復合材料拉伸載荷－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，而危險損傷對應高的幅度、急劇上升的撞擊累積、高的相對能量.在風電葉片的聲發(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)臨界值之前進行補救預防.

3 結(jié)論

1）復合材料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，當出現(xiàn)宏觀裂紋擴展時呈現(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型分層復合材料在加載初始階段，由于預制裂紋的存在，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；隨著裂紋不斷擴展至破壞，在破壞瞬間出現(xiàn)的幅度值達到最高值，撞擊累積計數(shù)直線增高.

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

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，對風電葉片復合材料進行聲發(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，保障風電葉片結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運行.

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