翟保利，李文可，周百能，符羅坪

(四川東樹新材料有限公司 四川德陽618000)

0 引 言

在風(fēng)電葉片分模制造過程中，主要用到環(huán)氧體系雙組分、高觸變態(tài)、高韌性的膠黏劑，用于葉片間的黏接。膠黏劑用量雖小，但對腹板和梁帽、前后緣載荷傳遞至關(guān)重要。剝離是影響膠黏劑剪切性能的關(guān)鍵因素，在材料測試選擇階段需一個(gè)合適的試樣幾何尺寸和材料進(jìn)行靜態(tài)和疲勞性能評估，但關(guān)于這方面的資料比較少。美國桑迪亞實(shí)驗(yàn)室的 Metzinger等[1]研究了搭接材料與搭接長度及方式對搭接剪切的強(qiáng)度的影響，但并未對標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)測試和疲勞測試的試樣尺寸進(jìn)行明確的界定。ISO 9664是金屬粘接的疲勞測試標(biāo)準(zhǔn)，對復(fù)合材料搭接剪切未明確材料屬性；DNVGL2016對靜態(tài)搭接剪切做了標(biāo)準(zhǔn)明確，但對疲勞測試推薦能代表風(fēng)電葉片子結(jié)構(gòu)或部件的試樣，同樣沒有明確的試樣尺寸。

目前風(fēng)電膠黏劑較大厚度(≥5mm)的性能測試沒有統(tǒng)一的測試方法和試樣尺寸，均是參照 EN1465和 ISO13003[2]進(jìn)行測試。因此本文將結(jié)合現(xiàn)有的葉片子結(jié)構(gòu)及部件通過初步有限元分析以及測試數(shù)據(jù)的比對確定一個(gè)合理的測試方法，為風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)制造提出可行性建議。

1 實(shí)驗(yàn)部分

膠黏劑：DQ240E/244H，DQ580E/584H，四川東樹新材料有限公司。

織物：CTG-HUD1240，泰山玻璃纖維有限公司。

儀器設(shè)備：電子萬能試驗(yàn)機(jī)MTS C45；疲勞試驗(yàn)機(jī)：Instron 8801。

測試項(xiàng)目和參考標(biāo)準(zhǔn)見表 1。試樣材料性能見表2。

表1 測試項(xiàng)目參考標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Test items and reference standards

表2 材料性能Tab.2 Material properties

2 結(jié)果與分析

在Sandia實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)部測試比較了圖1的黏接方式和試樣尺寸對黏接效果的影響。

對比測試和有限元分析的結(jié)果表明，封端黏接的破壞形式為膠黏劑剪切破壞非楔形的復(fù)合材料脫膠破壞，其壓縮承載荷最高，低周疲勞性能最佳。

2.1 試樣尺寸的模擬比較

在以上對比結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合目前的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對不同的搭接的幾何尺寸進(jìn)行了有限元計(jì)算對比分析，參見圖2。

圖1 膠黏劑粘接形式Fig.1 Adhesive bonding type

圖2 膠黏劑粘接形式模擬Fig.2 Simulation of adhesive bonding type

圖3 膠粘劑黏接剝離應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation results of adhesive debonding stress

通過有限元分析了同等材料 4種形式的試樣尺寸的剝離應(yīng)力分布，結(jié)果如圖 3所示。膠黏劑不封端的試樣在搭接區(qū)邊緣點(diǎn)剝離強(qiáng)度大于 3N/mm，大于膠黏劑的剝離強(qiáng)度 2.5N/mm，容易發(fā)生剝離引起的提前失效。此方案測試 10mm 厚試樣的剪切時(shí)因剝離因素的存在而影響難以達(dá)到理想的測試結(jié)果。膠黏劑封端(45°膠黏劑斜角)的試樣在搭接區(qū)邊緣點(diǎn)剝離強(qiáng)度約 1.1N/mm，小于材料剝離強(qiáng)度，方案設(shè)計(jì)達(dá)到理想效果，能夠很好地表征厚層膠黏劑在搭接區(qū)域的剪切測試性能。

2.2 靜態(tài)性能

在有限元模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)一步測試 FRP搭接性能[5]，纖維鋪層 8層總厚度約 6.5mm，纖維體積含量約 56%，膠黏劑厚度 10mm，加工 45°的斜角，見圖4。剪切強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

圖4 搭接剪切試樣尺寸Fig.4 Lap shear sample size

由于靜態(tài)剪切存在封端導(dǎo)致搭接截面長度的增長，計(jì)算的平均應(yīng)力較小，取值偏保守。增加黏接長度降低傾角處膠黏劑對總的剪切應(yīng)力的影響見圖5。

圖5 搭接剪切試樣Fig.5 Lap shear sample

2.3 疲勞性能

按照 DNV GL2015規(guī)范的要求進(jìn)行了疲勞測試，m 值[3-6]是 S-N 雙對數(shù)曲線的斜率。疲勞測試對比見圖6。

A材料試樣離散性較小，m值13.51，B材料為增韌性材料，測試的 m 值為 11.46，韌性材料的剪應(yīng)力較低，S-N曲線發(fā)生下移。在R為0.1時(shí)的抗拉疲勞測試結(jié)果表明S-N曲線的斜率m值都大于10，材料的破壞均為膠黏劑破壞或粘接界面的破壞，未出現(xiàn)剝離導(dǎo)致數(shù)據(jù)較大的離散性。

圖6 兩種不同膠粘劑的的疲勞S-N曲線(R＝0.1)Fig.6 Fatigue S-N curves of two different adhesives(R＝0.1)

3 結(jié) 論

本文通過分析膠黏劑搭接剪切不同試樣尺寸導(dǎo)致的剝離應(yīng)力影響，進(jìn)行材料的疲勞和靜力性能測試，得出以下結(jié)論：

①對于厚膠層的膠黏劑，剝離效應(yīng)比測試的離散性大。

②封端尺寸的試樣和斜切外粘接 FRP的試樣尺寸膠黏劑有限元模擬結(jié)果表明膠黏劑內(nèi)部應(yīng)力相對均勻，試樣端部剝離應(yīng)力小于膠黏劑的剝離極限。

③封端斜角尺寸試樣測試結(jié)果離散性小，可較好地評估材料的黏接性能。