风电叶片胶接修补与真空灌注修补的比较研究.pdf

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风电叶片胶接修补与真空灌注修补的比较研究1 风电叶片胶接修补与真空灌注修补的比较研究2 风电叶片胶接修补与真空灌注修补的比较研究3 风电叶片胶接修补与真空灌注修补的比较研究4
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 102 风电叶片胶接修补与真空灌注修补的比较研究  2013年5月  风电叶片胶接修补与真空灌注修补的比较研究     侯学杰,黎华,史俊虎,林明   (中船重工集团公司第七二五研究所,洛阳双瑞风电叶片有限公司,洛阳 471039) 摘要:风电叶片在运输、安装及服役过程中,可能产生某些原因导致的需要修补的损伤。本文针对修补损伤的挖补法,设  计了一组实验,比较了预浸料胶接修补与真空灌注修补的工艺区别,以及修补件静态力学强度恢复率的差异,并对两种工艺修   补效果的差异进行了讨论。结果表明,在静态力学性能方面,胶接修补的拉伸强度和层间剪切强度性能可达到初始的80%左       右,真空灌注修 ̄b.z-艺的拉伸强度和剪切强度可恢复到90%以上。  关键词:风电叶片;修补;胶接;真空灌注 中图分类号:TB332  ——— 文献标识码:A文章编号:10030999(2013)03010204● — —— j』一~     1日IJ舌  随着社会与经济的快速发展,人类对能源的需    求量日益增大。进入21世纪,风能的利用越来越广         泛,至2011年底,全球风力发电机组装机累积达     238,O00MW,我国以65,O00MW成为全球第一风电       大国。随着风电产业的迅猛发展,单机功率已至    7MW,风力发电机组叶片还在朝着大型化的方向发     展,最长的叶片达80m。目前,兆瓦级风电叶片都为    树脂基复合材料,在运输、安装和服役期间难免会产     生缺陷或损伤,如刮痕、凹陷、裂纹、撕伤、雷击烧伤  等。为了使叶片的力学性能得到恢复并达到预期的   寿命,研究损伤叶片的修补方法就显得十分必要和    重要了。    复合材料的修补技术的研究开始于20世纪70   年代初期,之后有很多且系统的研究,涉及到修补的 理论计算、力学分析及工艺等¨    。我国的复合材     料修补技术研究始于20世纪80年代中后期,1989   年,文献[5]报道了对某飞机副油箱水平安定板支  臂裂纹进行以碳纤维复合材料为补片的外场修补。    之后,大量的复合材料修补研究工作相继开展。    但对于风电叶片具体的修补,相关的研究报导则还 是相对较少。  风电叶片的修补方法,一般都源于复合材料修   补。LeKoul1o]曾报道了贴补方法修补风电叶片,但    叶片的气动性能受到了破坏,而挖补法。卜可以避   免此弊端。所谓挖补法,即将复合材料板的缺陷部   分通过钻孔或打磨除去,并以缺陷为中心向四周打   磨成一定角度,然后用相匹配的补片填补修复。修  补完成后,补片通过修补界面的剪切作用传递母板    的载荷,达到恢复力学性能的目的。挖补法在结构  形式上可分为斜接法和阶梯法(如图1所示),两者在  恢复强度和刚度上性能相当。此方法既能保持原叶   片损伤部位的气动性能,又不影响原有叶片的重量。  /缺陷 (a)缺陷板 (b)阶梯法    图1复合材料挖补示意图       Fig.1Sketchofscarfpatchrepair   通常情况下,挖补的补片为纤维预浸料,通过胶     粘剂粘接于缺陷处实现修补,此为胶接法。也可通 过真空灌注工艺(VARI)¨   5l,首先用相匹配的纤维   铺于缺陷处,之后建立真空,将树脂导入真空体系浸      润纤维,此为VARI法。对于同样的缺陷,两种方法  可能会得到不同的效果。本文中通过设计阶梯法修     补实验,比较了胶接修补与VARI修补对缺陷板力  学性能恢复情况,并结合剪切实验对两种方法的效   果进行了讨论。  2实验部分   2.1实验方案  为了对比胶接修补与VARI修补两种方法接   收稿日期:2012 ̄7-26  本文作者还有朱登辉。      作者简介:侯学杰(1981,),男,硕士,主要从事树脂基复合材料及风电叶片研究开发。   FILP/C ̄2013No.3   2013年第3期       玻璃钢/复合材料 103  合材料修补后性能的恢复情况,设计了平行对比实    验。首先制作无缺陷的母板,增强材料为三轴玻璃    纤维布,铺层顺序为(一45。,45。,0。;一45。,45。, 0。;0。,一45。,45。;0。,一45。,45。),每层玻纤布都   完好无损,如图2(a)所示。并采用真空灌注工艺进    行复合材料成型,固化后按照GB/T2567-2008将母    板进行切割加工成拉伸试样,并进行0。方向拉伸性                能测试。得到的数据为复合材料无损伤的初始  性能。 对于复合材料缺陷板的制作,设计了2层深度  宽为20mm的缺陷,如图2(b)所示。修补过程中,   以两层间相错50ram的尺寸将第一层以缺陷中心线      对称扩大为120mm,成阶梯状,如图2(c)所示。此  缺陷板采用真空灌注工艺制得,所用材料及铺层顺   序与母板相同。制得复合材料缺陷板后,进行胶接   修补和VARI修补。 (a)母板  缺陷\ \  (b)缺陷板 50  (c)缺陷板打厝错层  图2实验母板及缺陷板示意图        Fig.2Sketchofbaselaminateanddamaged    laminateinthispaper① 预浸料补片胶接修补步骤如下:在缺陷表面    先涂一层厚度约为1mm的环氧胶粘剂,后将宽度为      20mm的一层三轴玻纤预浸料补片铺于胶粘剂上;②   在此基础上再铺放一层宽度为120mm的三轴玻   ③   纤预浸料补片,如图3所示;施加一定的压力,挤    ④  出多余的胶粘剂,后施加压力,固化;修补完成后,    以缺陷中心线对称切割拉伸样条,并进行0。方向拉   伸性能测试,得到的数据为预浸料胶接修补强度。 胶接修补  补片   图3预浸料胶接修补示意图       Fig.3Sketchofadhesivelybondingrepair    laminatesinthispaper①  VARI修补步骤如下:在第二层缺陷铺放      20mm宽的裁片,裁片材质和铺放方式与同层的母② 板玻纤布相同;以同样的方式铺放第一层缺陷的 ③ 裁片,宽度为120mm,如图4(a)所示;后建立真    ④  空,导人树脂,固化,如图4(b)所示;修补完成后,    以缺陷中心线对称切割拉伸样条,并进行0。方向拉           伸性能测试,得到的数据为复合材料VARI修补 强度。 裁———  ———二三三兰-邕_-一  密  (a)铺玻纤裁片 真空袋膜  (b)树膳真空灌注  图4VARI修补板示意图          Fig.4SketchofVARIrepairinglaminatesinthispaper 以上实验的目的是从拉伸性能方面比较胶接修      补与VARI修补效果的不同,为了进一步了解修补    效果,本实验也对比了两种修补方式的修补界面剪 切性能。将母板和补片分别作为剪切试样的两搭接              片,搭接片的粘接分别模拟挖补的胶接和VARI 方式。  胶接修补界面剪切性能考察具体如下:用叶片     胶粘剂将复合材料板以搭接形式粘接,按照GB/T  7124-2008的要求制成拉伸剪切试样,胶粘剂厚度为     0.5mm左右,试样如图5(a)所示,固化后进行测试,  得到胶粘剂粘接的剪切性能。 :      ....一,胶接界面 (a)胶接剪切样        !:..../真空灌注界面 (b)VARI剪切样    图5剪切试样示意图             n昏5Sketchofsamplesforshearstrengthtestinginthispaper  VARI修补界面剪切性能考察如下:在母板边缘   以搭接形式铺放与母板层数相同的玻纤布,通过真 空灌注方式制得复合材料与复合材料间的搭接剪切  板,板间通过树脂结合,类似于VARI修补的界面。   固化后按照GB/T7124-2008的要求制成拉伸剪切      试样,试样如图5(b)所示,进行测试,得到VARI界 面的剪切性能。 104 风电叶片胶接修补与真空灌注修补的比较研究  2.2实验所用材料及设备  本实验所用材料及测试设备见表1。   表1本实验所用材料    Table1Themater       ialsandequipmentusedinthispaper  材料 供应商 三轴玻璃纤维布 真空灌注树脂 预浸料 叶片用环氧胶粘剂 万能拉力机  3实验结果及讨论   根据实验方案,进行了两种修补方式接合材  料缺陷板强度恢复状况的考察,无缺陷的复合材料  板拉伸性能及胶接修补后、VARI修补后的拉伸性能     测试结果分别见表2、表3及表4。从表中的测试结    果看,无缺陷复合材料板拉伸强度在590MPa左右,    拉伸模量在31GPa左右;缺陷板经胶接修补后,拉伸     强度达到500MPa左右,拉伸模量在26GPa左右,恢  复80%以上;缺陷板经真空灌注修补后,拉伸强度       达到550MPa左右,拉伸模量在29GPa左右,恢复  90%以上,个别试样几乎100%恢复。柱状图6比较 了修补前后性能的恢复状况。      表2无缺陷板的拉伸性能        —  Table2ThetensilepropertiesofnondefectsFRP  表3胶接修补板的拉伸性能         Table3ThetensilepropertiesofFRPrepaired   byadhesivelybonding  | 一 一l    麓隧j 3  表4真空灌注修补板的拉伸性能Ta    ble4T         hetensilepropertiesofFRPrepairedbyVARI    图6两种修补方法拉伸性能对比      Fig.6Comparingoftensileproperties    oftworepairingmethods  复合材料缺陷板修补后,受到的载荷会通过补 片与母板问的界面进行传递,所以,复合材料修补后    的性能恢复状况,主要决定于补片与母板问的界面  粘接情况。如果补片与母板的界面粘接情况优,则   修补后性能恢复率就大,反之,则恢复率偏低。本文   通过拉伸剪切实验得到了胶接界面与VARI界面粘  接性能的不同,结果见表5。表中数据显示,胶接界   面的剪切强度在20MPa左右,而VARI界面剪切强     度可达25MPa左右。虽然不能确定界面剪切强度   与修补板的拉伸性能间的关系,但剪切强度的差异 也能说明修补后复合材料拉伸性能的不同。    对于预浸料胶接修补方法,补片与母板问通过    胶粘剂粘接成为整体。在胶粘剂的刮涂、及预浸料 铺放与固化过程中,界面间会有部分空气造成界面         结合不充分,致使力学性能恢复率稍低。而对于   VARI修补方法,树脂灌注时,真空系统内几乎没有    空气,新浸树脂与母板表面能充分接触,达到良好的  界面结合效果,因此修补性能恢复率较高。 盖l一∞   ∞ dJ^L、口占o一【s口。  2013年第3期       玻璃钢/复合材料 105   表5修补界面的剪切强度          Table5Theshearstrengthofthetworepairing   methodsinthispaA)er——  胶接界面 VARI界面   4结论   通过实验得出,复合材料采用不同的挖补工艺     修补时,胶接方法可恢复80%左右的强度,而采用     VARI工艺可以使强度达到90%以上,个别试样可  达到100%。但从工艺实施性方面考虑,胶接修补     方法简单,可行性强,一般不受场地限制;真空灌注  方法需要建立真空,设备要求较高。所以,在实际的    维修中,可根据现场设备的实际情况选择不同的修  补方式,如现场有真空设备条件,建议采用VARI修   补;若现场没有真空设备,叶片损伤部位又不是关键 的受载荷区域,可采用胶接修补。 参考文献— [1]SungHoonAhn,G.S.Spr   — inger.RepairofcompositelaminatesI:     Testresults[J].JournalofCompositeMaterials,1998,32(11):— 10361074.—      [2]SungHoonAhn,G.S.Springer.Repairofcompositelaminates・II:   Models[J].JournalofCompositeMateria ls,1998,32(I1):— 10761l14.  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Keywords:windturbineblades;repairing;adhesivebonding;VARI
布丁老师
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