金属/玻璃钢柱壳胶接头拉伸实验声发射监测

刘　然，周　伟，李亚娟，包正宇，陈维业，李晓彤

金属/玻璃钢柱壳胶接头拉伸实验声发射监测

刘然1，周伟1，李亚娟1，包正宇2，陈维业1，李晓彤1

（1.河北大学质量技术监督学院，河北保定071002；2.天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400）

为研究胶接长度对风电叶片柱壳胶接接头力学性能及声发射响应特征的影响，对金属/玻璃钢柱壳试件的拉伸实验全过程进行声发射监测。结果表明：柱壳试件拉伸过程基本为线性破坏，胶接接头的失效模式为界面破坏，损伤多发生在胶层边缘应力集中处。加大胶接长度，能有效增强金属/玻璃钢柱壳试件的胶接强度。较大的胶接长度对应的声发射信号幅度高、相对能量高、撞击累积数多。因此，在风电叶片复合材料叶根部位的安全评估时，可将声发射信号的动态变化特征作为评判依据。

风电叶片；复合材料；柱壳；拉伸实验；声发射监测

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.028

0　引言

随着煤、石油等传统能源的消耗日益严重，人们越来越重视风能的开发和利用［1］。风电叶片是将风能转化为电能的重要部件，也是风力发电机组的关键部件，因此它的质量是保证风电机组正常发电的决定性因素［2］。玻璃钢（FRP）由于其轻质量、高强度等优点，成为大型风电叶片的常用材料。发电机组的金属螺栓一般采用胶接方式预埋到叶片根部形成柱壳结构，而国内叶片断裂主要发生在叶片根部［3］；因此，对金属/玻璃钢柱壳胶接强度的研究，对确保风电叶片正常工作具有重大意义。

声发射技术能够实时监测材料和结构的动态损伤过程。近年来，国内外相关学者将声发射用于监测胶接接头的损伤破坏加载过程，从而更加全面地了解胶接接头的损伤破坏机理。胡绍海等［4］将声发射技术应用到金属胶接结构的缺陷检测和强度估计中，Mohamed等［5］利用声发射监测复合材料胶接接头拉伸破坏的信号变化，Croccolo等［6］又将声发射应用到复合材料胶接接头的缺陷评估中。然而，针对风电叶片金属/玻璃钢柱壳损伤破坏的声发射研究较少［7-11］。为此，本文对金属/玻璃钢柱壳试件的拉伸实验过程进行声发射监测，研究其不同胶接长度的拉伸力学性能和声发射响应特征，为风电叶片的安全性评估和健康监测提供重要的参考依据。

图1　试件加载现场图

1　实验部分

1.1柱体和壳体材料

柱体材料为42CrMoA钢，直径为28mm；壳体材料采用玻璃纤维单轴向布（ECW600-1270，600g/m2）和玻璃纤维双轴向布（E-DB800-1270（±45°），800g/m2），两种玻璃纤维布裁剪成尺寸为200mm×200mm矩形块。实验采用的环氧树脂（Araldite LY 1564 SP）与固化剂（Aradur 3486）的质量比为100∶34。

1.2柱壳试样制备

采用手糊成型的方式，将裁剪的单向和多向纤维布交替缠绕在金属螺栓上，室温固化48h，干燥箱内80℃后固化12 h，得到内径为30mm，壁厚为10mm的壳体。然后对壳体内表面进行加工清洗，柱体和壳体对齐后，注入相同的环氧树脂胶液，固化获得金属/玻璃钢柱壳试件，胶层厚度约为1mm，胶接接头的长度分别为20mm和40mm。

1.3性能测试

金属/玻璃钢柱壳试件的拉伸实验在CMT5305型万能拉压试验机上完成，采用位移加载控制，加载速率为2mm/min，匀速单向拉伸。在试件拉伸过程中，同时用AMSY-5全波形声发射仪实时监测并采集整个过程的声发射信号。对于两种不同的胶接长度，有效试件不低于6组。试件加载过程中，用1个VS150-RIC型传感器监测采集声发射信号，传感器用胶带固定在金属螺栓上，用高真空油脂作为耦合剂，传感器与胶接接头上边缘的距离为55mm。该传感器的内置前置放大器的增益为34dB，频带宽度为100～450kHz，中心频率为150kHz。采样频率设为5MHz，信号的采集阀值提高到46dB。试样加载与声发射监测如图1所示。

2　结果与讨论

2.1拉伸力学性能

图2为金属/玻璃钢柱壳试件拉伸实验的载荷－时间曲线，可以看出胶接长度为40mm的试件承受的最大载荷为37.2 kN，失效强度为52.7MPa；胶接长度为20mm的试件承受的最大载荷为25.3 kN，失效强度为35.8MPa。从开始加载到螺栓与壳体完全脱离的过程中，载荷－时间曲线总体表现为线性，当加载到一定载荷时，胶接接头被破坏，螺栓与壳体完全脱离。在拉伸加载过程中，两种试件基本表现为线性破坏，但胶接长度为40mm的试件承受的最大载荷大于胶接长度为20mm的试件，这是由于胶接长度决定着胶层本身的强度、界面结合强度等影响接头强度的因素。因此，加大胶接长度，能有效增强金属/玻璃钢柱壳试件胶接强度。

图2　柱壳拉伸载荷－时间曲线

图3为胶接接头破坏特征，从图中可以看出，胶接接头界面外观基本光滑平整，损伤大多发生在胶层边缘应力集中处，该应力集中处的损伤引起整个胶接接头的破坏；胶黏剂内部和壳体纤维只有少许的损伤破坏，这是因为胶接接头的强度低于胶黏剂自身的强度，导致柱壳试件胶接接头的主要失效模式为界面破坏。

图3　试件破坏结构特征

2.2拉伸响应声发射特征

图4为金属/玻璃钢柱壳试件加载过程中的声发射信号撞击累积数-幅度-时间历程。根据图中声发射撞击累积数和幅度的变化情况，可将整个过程分为起始演化阶段和拉脱破坏阶段。从图4（a）中可知胶接长度为40mm的试件在起始演化阶段出现的声发射信号幅度大部分低于70dB，且声发射撞击累积数变换缓慢；随着载荷的增加，加载进入拉脱破坏阶段，此时胶接接头开始出现损伤，出现大量的声发射信号，幅度高于80 dB的开始增多，最高可达99.8 dB，且声发射撞击累积数急剧增加，直至胶接接头完全拉脱。图4（b）与图4（a）相比，起始演化阶段的声发射信号更少，且幅度较低，大部分低于60 dB；进入破坏拉脱阶段，声发射信号开始增加，出现了少量幅度大于80 dB的信号，整个加载过程中，撞击累积数明显少于胶接长度为40mm的试件。

图4　声发射信号撞击累积数－幅度－时间图

图5　柱壳试件载荷-相对能量-时间图

对比图4（a）和图4（b）可以看出，两种试件的声发射信号幅度和撞击累积数变化规律大致相同；但胶接长度为40mm的试件声发射事件明显更多，且加载过程中的信号幅度和撞击累积数均高于胶接长度为20mm的试件，这也与图3中壳体纤维的破坏有关。因此，胶接长度越大，对应的声发射事件越多，撞击累积个数越高，信号的幅度越高。

图5为金属/玻璃钢柱壳试件加载过程中的载荷－相对能量－时间历程图。从图5（a）中可以看出，胶接长度为40mm的试件在加载的初始阶段由于胶接接头并无损伤，所以未出现明显的声发射能量释放；随着载荷的继续增加，20 s后，进入拉脱破坏阶段，声发射事件越来越多，其相对能量越来越高，直至胶接接头完全拉脱，此时对应的声发射相对能量最高，数值为323000，整个拉伸过程持续87s。图5（b）中可以看出，胶接长度为20mm的试件在初始阶段与图5（a）相似，并未释放明显的声发射信号；随着载荷的继续增加，在20s后，进入拉脱破坏阶段，开始出现声发射事件，但其相对能量数值远低于图5（a），直至胶接接头完全拉脱，才出现高能量声发射事件，此时对应的最高相对能量为186240，整个拉伸过程持续62 s。

对比图5（a）和图5（b）可知，两种试件在整个加载工程中，相对能量变化规律大致吻合，初试演化阶段均无明显的声发射能量释放；随着载荷的增大，同时在20 s时进入了拉脱破坏阶段，胶接长度为40mm的试件在此阶段声发射的相对能量高于胶接长度为20mm的试件，且拉脱破坏阶段持续时间更长；这是因为随着胶接长度的增加，胶接面积变大，应力集中更加明显，能够采集到的声发射信号更多。上述结果进一步证明了胶接接头应力集中区域引起的整个胶层破坏与其对应的声发射信号相关，可为柱壳结构的无损检测提供重要依据。

3　结束语

1）风电叶片金属/玻璃钢柱壳试件的拉伸过程基本表现为线性破坏，直至增大到一定载荷，胶接接头断开，接头的失效模式为界面破坏，损伤大多发生在胶层边缘应力集中处，该处的损伤引起整个胶接接头的破坏。

2）两种胶接长度的试件在初始阶段出现低幅度的声发射信号，其相对能量较低，撞击累积数少，进入拉脱破坏阶段，声发射事件明显增多，出现高幅度信号，撞击累积数持续增多，对应较高的声发射相对能量。加大胶接长度，能有效增强金属/玻璃钢柱壳试件的胶接强度。

3）在整个拉脱加载过程中，较大的胶接长度对应的声发射信号幅度和相对能量较高、撞击累积数较多。声发射信号的动态变化特征可作为风电叶片叶根部位安全评估的重要依据。

［1］戴春晖，刘钧，曾竟成，等.复合材料风电叶片的发展现状及若干问题的对策［J］.玻璃钢/复合材料，2008（1）：53-56.

［2］何杰，杜玲，王冬生.风电叶片的主要缺陷与无损检测技术评价［J］.玻璃钢，2003（1）：1-7.

［3］周伟，张洪波，马力辉，等.风电叶片复合材料结构缺陷无损检测研究进展［J］.塑料科技，2010，38（12）：84-86.

［4］胡绍海，张树京.胶接结构的声发射检测［J］.无损检测，1996，16（6）：154-163.

［5］Mohamed B K，KalaiChelvan K，Vijayaraghavan G K，et al.Acoustic emission wavelet transform on adhesively bonded single-lap joints of composite laminate during tensile test［J］.Journal of Reinforced Plastics and Composites，2013，32（2）：87-95.

［6］Croccolo D，Cuppini R.Adhesive defect density estimation applying the acoustic em ission technique［J］. International Journal of Adhesion and Adhesives，2009，29（3）：234-239.

［7］Li H Y，Li J Y，Yun X F，et al.Non-destructive examination of interfacial debonding using acoustic emission［J］.Dental Materials，2011，27（10）：964-971.

［8］Magalh a~es A G，Moura M F S F.Application of acoustic emission to study creep behaviour of composite bonded lap shear joints［J］.NDT&E International，2005，38（1）：45-52.

［9］Bak K M，Kalaichelvan K，Vijayaraghavan G K，et al. Study on the effect of adhesive thickness of single lap joints using acoustic emission and FEA［J］.Insight，2013，55（1）：35-40.

［10］Bonhote P，Gmur T，Botsis J，et al.J Stress and damage analysis of composite-aluminium joints used in electrical insulators subject to traction and bending［J］. Composite Structures，2003，64（4）：359-367.

［11］Cho N Y，Ferracane J L，Lee I B.Acoustic emission analysis of tooth-composite interfacial debonding［J］. Journal of Dental Research，2013，92（1）：76-81.

Acoustic em ission monitoring for adhesive joints of Metal/FRP cylinder-shell under tensile test

LIU Ran1，ZHOU Wei1，LI Yajuan1，BAO Zhengyu2，CHEN Weiye1，Li Xiaotong1
（1.College of Quality and Technology Supervision，Hebei University，Baoding 071002，China；2.Tianjin Cement Industry Design&Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300400，China）

In order to study influences that different lengths affect mechanical properties and acoustic emission（AE）responding characteristics of adhesive joints of wind turbine blade Metal/ FRP cylinder-shell，the whole progresses of tensile tests were monitored by AE.The results show that the load-time curve of cylinder-shell specimens is basically linear and the failure mode is the interfacial failure，and the damage evolutions are mostly occurred in the edge of the adhesive layer.Increasing the length can effectively improve the bonding strength of Metal/FRP cylindershell specimens.Higher AE amplitude，relative energy and more cumulative hits are connected with the damage process of specimens with longer length.Therefore，dynamic characteristics of AE signals can provide evidences for security evaluation of wind turbine blades composite roots.

wind turbine blade；composite material；cylinder-shell；tensile test；acoustic emission monitor

A

1674-5124（2015）05-0125-04

2014-11-21；

2015-01-19

河北省自然科学基金项目（E2012201084）河北大学大学生创新创业训练项目（2014074）

刘然（1990-），男，河北唐山市人，硕士研究生，专业方向为复合材料声发射检测研究。