风电叶片复合材料层间开裂声发射监测

李亚娟，周伟，刘然，梁晓敏，李志远

（河北大学 质量技术监督学院，河北 保定 071002）

风能以其资源丰富、无污染、可再生等优点在能源的开发和利用方面日益受到重视.根据《中国风电发展报告2012》预测，到2020年，中国风电累计装机容量将在200～300GW［1］.玻璃纤维复合材料具有强度高、比模量高、抗疲劳性能好等优点，是风电叶片最常用的材料［2］.受制造工艺等因素影响，风电叶片复合材料制造过程中会出现分层、缺胶等结构缺陷，在实际工况载荷作用下，这些缺陷会产生累积，最终导致风电叶片的失稳破坏［3－4］.因此，为保障风电叶片机组的安全稳定运行，需要对风电叶片复合材料I型分层的损伤演化特性进行研究.

声发射检测参数分析是通过内部缺陷在萌发和扩展的动态过程中发出的应力波反映出来的幅度、相对能量、撞击累积数、持续时间等特征参量来分析结构内部变形损伤情况.近年来，国内外一些相关学者将声发射技术应用于监测风电叶片损伤的发现、定位和严重程度分级［5－9］.Joosse和Blanch等［5］在风电叶片静力和疲劳测试中应用声发射技术，指出给定通道的不稳定声发射信号可以确定损伤区域，高振幅和高能量事件预示叶片失效.Anastassopoulos和Kouroussis等［6］应用模式识别软件对相似叶片进行完整度评估和损伤分级.但国内外针对风电叶片复合材料界面缺陷演化行为过程方面的研究较少.针对分层缺陷是对风电叶片安全运行影响较大的声发射源，本文以含I型分层缺陷的玻璃纤维复合材料为研究对象，对试件进行拉伸实验，并进行声发射全程监测，研究了复合材料I型分层在拉伸过程的损伤演化特性和声发射响应特征，从而更加全面、深入地了解复合材料层间开裂的损伤破坏机理，为复合材料结构的健康监测提供参考依据.

1 材料及方法

1.1 材料及试件制备

实验采用的玻璃纤维环氧单向预浸料（G20000，单层厚度0.17mm）和多轴向预浸料（KT900，单层厚度1mm，0°，＋45°，－45°方向纤维质量比为50%，25%，25%）均购于威海光威复合材料有限公司.首先将预浸料铺设在平板模具上，在试件一端的中间位置放置聚四氟乙烯薄膜获得预制裂纹，经加热、加压固化后获得复合材料层板.单向复合材料铺设20层，实际厚度约为3.3mm.多轴向复合材料铺设5层，实际厚度约为4.5mm.最后将层板制成180mm×25mm 的长条形实验试件，预制裂纹长度为60mm.

1.2 力学加载与声发射

试件的单向拉伸过程在CMT5305型万能拉压试验机（深圳新三思有限公司）上进行.拉伸过程的同时应用AMSY－5全波形声发射仪（德国Vallen公司）对声发射信号进行采集及记录.加载过程采用位移控制，加载速率设为2mm／min.为便于试验机夹具操作，在试件夹持端两侧粘上90°弯曲铝加强片.试样加载的主要装置与传感器布置的现场图如图1所示.

图1 试件加载现场Fig.1 Scene of specimen loading

声发射传感器采用VS150－RIC型号，其频带为100～450kHz，内置前置放大器增益为34dB，中心频率为150kHz，采样频率为5 MHz，阀值设为46dB.传感器与试件之间用高真空油脂耦合，并用胶带将其固定，传感器与预制裂纹尖端距离为60mm.

2 结果及讨论

2.1 复合材料I型分层扩展力学响应与破坏特征

复合材料I型分层试件单向拉伸过程载荷－张开位移曲线如图2所示.依据复合材料的载荷－张开位移的变化曲线，将整个过程划分为4个不同的阶段，如图2中标注所示.第1阶段载荷与张开位移呈线性关系，由于预制裂纹的存在，在试件加载初期并没有声发射事件，所以载荷与位移呈线性特征；第2阶段开始出现宏观的分层裂纹扩展，所以载荷与位移之间呈现非线性特征.该阶段位于线性区之后，并且在最大载荷之前；第3阶段是在分层过程达到最大载荷后，裂纹停止并且载荷骤降；第4阶段是载荷在迅速下降后的平稳变化.

图2 复合材料载荷－张开位移曲线Fig.2 Load－opening displacement curve of composite

图3 复合材料的破坏特征Fig.3 Damage characteristics of composite materials

复合材料I型分层的破坏特征如图3所示.单向复合材料的扩展位移为16mm，多向复合材料的扩展位移为15mm.两者的扩展位移相差不大.结合图2得到，单向复合材料的张开位移为17mm，最大载荷为49N；多向复合材料的张开位移为39mm，最大载荷为65N.可以看出，多向复合材料的张开位移和最大破坏载荷都大于单向复合材料.这是由于单向复合材料的树脂含量少，纤维多，且纤维作用幅度大；而多向复合材料存在±45°方向的纤维，在分层扩展过程中，±45°方向纤维会影响裂纹的扩展速度，并且多向复合材料树脂含量多，所以纤维的作用影响较小.

2.2 复合材料I型分层扩展声发射响应行为

复合材料I型分层试件拉伸过程中的声发射信号撞击累积－幅度－时间关系如图4所示.从图4a可以看出，单向复合材料试件加载起始阶段，由于预制裂纹的存在，仅出现少量幅度值不高于70dB的声发射信号，且几乎没有撞击数；在缺陷演化阶段，随着张开位移的增加，分层尖端开始出现宏观裂纹扩展，较多幅度值在70～87dB，并且出现撞击累积，撞击累积计数开始上升；在试件破坏阶段，随着裂纹的不断扩展，出现了大量的声发射信号，其中幅度值最高达99.8dB，大量的损伤破坏导致撞击累积计数近似直线趋势迅速增高.

多向复合材料试件加载过程如图4b所示，初始阶段只有少量声发射信号，且幅度值低于60dB，撞击数基本在零处；随着张开位移的增加，信号迅速增多，并且幅度分布在60～90dB，撞击累积数呈现上升趋势；随着裂纹不断扩展至破坏，在破坏瞬间出现的幅度值高达100dB，撞击累积计数同单向复合材料，呈现近似直线增高趋势.

对比图4a和b可以看出，单向复合材料在破坏阶段出现较多的46～90dB幅值的信号，而多向复合材料从演化阶段到破坏阶段一直都存在较多的46～75dB幅值的声发射信号.这也是由于多向复合材料在分层扩展过程中，±45°方向纤维会影响裂纹的扩展速度，使其在破坏阶段并没有较多的高幅值信号.

图4 声发射信号撞击累积－幅度－时间关系Fig.4 Cumulative hits－amplitude－time curve of AE signals

试件加载过程中的载荷－相对能量－时间关系如图5所示.从图5a可以看出，单向拉伸的加载初始阶段，由于没有声发射事件，声发射能量几乎为零，载荷与张开位移呈现明显的线性特征；随着张开位移的增大，声发射相对能量逐渐增多，载荷曲线呈现非线性变化，说明此时分层尖端区域出现宏观裂纹扩展；随着裂纹缓慢扩展至试件最终破坏，载荷增至最大，声发射相对能量达到最高值11 980.在载荷骤降并达到恒定的过程中，相对能量也随之下降并平稳变化.

从图5b可以看出，多向复合材料试件在加载过程中的最大相对能量与单向复合材料相差不大.在加载过程初期，试件无明显的损伤，其声发射相对能量相当低；随着多向复合材料损伤累积，载荷曲线呈非线性变化，产生的声发射事件越来越多，相对能量相应的逐渐增高；当试件最终破坏时，对应的声发射相对能量达到最高值10 050.在时间为890s时载荷骤降，声发射相对能量也急剧下降到2 000以下.在载荷缓慢上升到平稳的过程中，声发射相对能量先明显升高，然后下降逐渐平稳.

2.3 声发射信号的特征参量及载荷关联分析

组合图4和图5中复合材料层间开裂过程中声发射幅度－撞击累积数－能量随时间的变化特征及载荷变化曲线，可以将分层缺陷在单向拉伸加载过程中的破坏过程为3个阶段，分别为起始阶段、演化阶段、破坏阶段.在起始阶段，由于预制裂纹的存在，几乎没有声发射事件，所以仅出现少量幅度不高的声发射信号，且几乎没有声发射撞击数，声发射相对能量几乎为零，载荷曲线线性变化；在演化阶段，分层尖端区域开始出现明显的宏观微裂纹扩展，声发射事件逐渐增多，出现了大量从低到高幅值的声发射信号，且撞击累积计数开始增多，声发射相对能量逐渐增大，载荷曲线呈非线性变化；在破坏阶段，试件最终层间开裂破坏，出现了大量的声发射信号，大量的损伤破坏导致声发射撞击累积数以近似直线趋势急剧增加，此时对应最高的声发射相对能量和加载载荷值.

图5 复合材料拉伸载荷－声发射相对能量－时间关系Fig.5 Tensile Load－AE relative energy－time curve of composite

由上述分析可以看出，声发射信号的幅度、撞击累积数、相对能量等特征参量与材料结构损伤程度密切相关.低级损伤对应低的幅度、平缓的撞击累积变化、低的相对能量，而危险损伤对应高的幅度、急剧上升的撞击累积、高的相对能量.在风电叶片的声发射在役检测中，可以依据信号的特征参量变化判断结构内部缺陷的危险程度，并在缺陷失稳临界值之前进行补救预防.

3 结论

1）复合材料I型分层加载初始阶段载荷与张开位移呈现明显的线性特征，当出现宏观裂纹扩展时呈现非线性特征，载荷上升到最大值后会骤然下降，然后平稳变化.

2）I型分层复合材料在加载初始阶段，由于预制裂纹的存在，几乎没有声发射事件，所以信号很少且幅值不高，几乎没有撞击；随着张开位移增加，分层尖端区域出现宏观微裂纹扩展，信号明显增多且幅值从低到高分布，撞击累积计数呈上升趋势；随着裂纹不断扩展至破坏，在破坏瞬间出现的幅度值达到最高值，撞击累积计数直线增高.

3）I型分层复合材料在加载初期没有声发射能量；微裂纹扩展开始时，出现声发射能量且逐渐增大；最终试件分层破坏，载荷达到最大值，对应的相对能量最高.

4）声发射信号的幅度、撞击累积数、相对能量等特征参量的动态变化过程可以反映出材料结构的损伤破坏程度.因此，对风电叶片复合材料进行声发射在役检测时，可以依据信号的特征参量变化判断结构内部缺陷的危险程度，保障风电叶片结构的安全稳定运行.

［1］ 李俊峰，蔡丰波，乔黎明.中国风电发展报告2012［R］.北京：中国可再生能源专业委员会，2012.

［2］ 周伟，孙诗茹，冯艳娜，等.风电叶片复合材料拉伸损伤破坏声发射行为［J］.复合材料学报，2012，30（2）：240－246.ZHOU Wei，SUN Shiru，FENG Yanna，et al.Acoustic emission behavior on tensile failure of composite for wind turbine blades［J］.Acta Materiae Compositae Sinica，2012，30（2）：240－246.

［3］ 周伟，马力辉，张洪波，等.风电叶片复合材料弯曲损伤破坏声发射监测［J］.无损检测，2011，33（11）：33－37.ZHOU Wei，MA Lihui，ZHANG Hongbo，et al.Acoustic emission monitoring for wind turbine blade composite material under bending damage failure condition［J］.Nondestructive Testing，2011，33（11）：33－37.

［4］ 张晓霞，戚海东，王芳，等.风电叶片复合材料层间剪切破坏破坏声发射监测［J］.工程塑料应用，2012，40（8）：77－80.ZHANG Xiaoxia，QI Haidong，WANG Fang，et al.Acoustic emission monitoring for interlaminar shear failure of wind turbine blade composite［J］.Engineering Plastics Application，2012，40（8）：77－80.

［5］ JOOSE P A，BLANCH M J，DUTTONET A G，et al.Acoustic emission monitoring of small wind turbine blades［J］.Journal of Tribology－Transactions of the ASME，2002，124（11）：446－454.

［6］ ANASTASSOPOULOS A A，KOUROUSSIS D A，NIKOLAIDIS V N，et al.Structural integrity evaluation of wind turbine blades using pattern recognition analysis on acoustic emission data［Z］.Engineering and Instrumentation，25th European Conference of Acoustic Emission Testing（EWGAE 2002），Prague，2002.

［7］ BLANCH M J，DUTTON A G.Acoustic emission monitoring of field tests of an operating wind turbine［J］.Key Engineering Materials，2003，245－246：475－482.

［8］ 周伟，田晓，张亭，等.风电叶片玻璃钢复合材料声发射衰减与源定位［J］.河北大学学报：自然科学版，2012，32（1）：100－104.ZHOU Wei，TIAN Xiao，ZHANG Ting，et al.Acoustic emission attenuation and source location of glass fiber composites for wind turbine blades［J］.Journal of Hebei University：Natural Science Edition，2012，32（1）：100－104.

［9］ 刘红霞，矫桂琼，熊伟，等.复合材料层合板分层分析中的界面元应用［J］.机械强度，2008，30（2）：301－304.