复合材料Ⅱ型分层损伤演化声发射监测.pdf

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复合材料Ⅱ型分层损伤演化声发射监测1 复合材料Ⅱ型分层损伤演化声发射监测2 复合材料Ⅱ型分层损伤演化声发射监测3 复合材料Ⅱ型分层损伤演化声发射监测4 复合材料Ⅱ型分层损伤演化声发射监测5
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Ⅱ复合材料型分层损伤演化声发射监测2015年1月Ⅱ复合材料型分层损伤演化声发射监测李亚娟,周伟,刘然,张雪梅(河北大学质量技术监督学院,河北保定071002)Ⅱ摘要:通过风电叶片复合材料型分层扩展力学性能实验,并借助声发射技术手段,研究复合材料[0/0]、[0/45]和[+45/一45]层间界面损伤演化特性。复合材料试件弯曲加载时,采用声发射实时监测整个分层损伤过程。结果表明,[0/0]复合材料分层试件裂纹扩展快、分层面积大、前沿平齐,不稳定扩展对应较多高幅值、长持续时间的声发射信号;受±45。方向纤维作用,[0/45]和[+45/一45]复合材料试件不稳定分层扩展前声发射撞击累积数较高,裂纹扩展相对缓慢,分层面积小,前沿不齐。复合材料分层损伤演化可分为预分层裂纹尖端区域微损伤累积和分层不稳定扩展两个基本的过程。关键词:风电叶片;复合材料;端部缺口弯曲试验;分层损伤;声发射—中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:1003-0999(2015)01-005405纤维增强复合材料具有比强度和比模量高、抗疲劳l生能好、可设计性强等优点,可广泛应用于新能源产业中风电叶片的制造。作为风电机组重要的部件,风电叶片复合材料的增强相一般采用单向和多轴向玻璃纤维,以适应弯、扭等复杂工况载荷¨。近年来,随着风电机组的运行,风电叶片的开裂和失稳破坏等损坏问题日益突出。造成这一现象的主要原因是风电叶片复合材料分层等缺陷的演化。Ghasemnejad等采用有限元仿真和初步实验测试,指出多分层缺陷对风电叶片复合材料失稳破坏的作用。为此,分层损伤研究对风电叶片复合材料结构的安全服役具有重要现实意义。复合材料分层损伤类似裂纹扩展,一般利用断裂力学方法来研究分层损伤扩展行为,并将能量释放率作为分层扩展准则。其中,Barrett和Foschi_3J最初提出的端部缺口弯曲(ENF)试验方法,现已普Ⅱ遍应用于复合材料型分层损伤及层间断裂能释放率的研究。于志成通过对ENF试验方法的研究,Ⅱ发现ENF试验测出的G是材料的固有常数,预置≤≤裂纹长度应在0.4a/L0.85为宜,试件尺寸和加载速率对试验结果无影响。为了更深入研究复合材料的分层问题,国内外相关学者利用有限元数值方法提出了多种分层损伤模型_5娟j。此外,刘德博等建立了一种基于物理机制的零厚度界面单元来Ⅱ模拟复合材料型分层扩展,很好地解决了分层之后铺层间接触,且不存在收敛性问题。声发射技术对材料结构动态变化敏感,能够实时监测复合材料损伤失效全过程。Hajikhani等¨采用声发射监测了复合材料I型分层扩展,发现借助声发射技术手段能够很好反映复合材料的层间破坏能量释放率。就风电叶片复合材料而言,相关学者相继将声发射技术应用于风电叶片早期损伤预报和结构健康监测研究¨’,但对风电叶片复合材料分层损伤演化特征及声发射响应特性还缺乏深入的认识。Ⅱ本文通过对风电叶片复合材料型分层扩展力学性能实验,采用声发射技术全程监测复合材料分层损伤演化全过程,获取复合材料层间力学特性及其对应的声发射响应特征,揭示风电叶片复合材料层问损伤演化规律,为风电叶片复合材料结构的健康监狈0和标准认证体系的建立奠定基础。1实验材料及方法根据风电叶片的蒙皮和翼梁主要使用单向和多向编织E玻璃纤维/环氧复合材料的特点,实验选用—玻璃纤维单向布(ECW6001270,600g/m)和双轴向—布(EDB800-1270(±45。),8oog/m),以真空灌注的方式获取[0/0]、[0/45]和[+45/一45]复合材料层间预裂界面¨。三类复合材料试板对应的铺层分别为[05]、[05/±45/0]和[0/±45],且均为10——收稿日期:20140613本文作者还有李志远和吕智慧。基金项目:河北省自然科学基金(E2012201084)作者简介:李亚娟(1989-),女,在读硕士研究生,主要从事复合材料声发射方面的研究,yajuanlil128@163.com。通讯作者:周伟(1980一),男,博士,副教授,主要从事复合材料实验力学及无损检测方面的研究,zhouweihy@126.corn。c涟|四2015年第1期玻璃钢/复合材料55层。纤维布铺设时,在层板的第5层和第6层之间放置聚四氟乙烯薄膜,形成40mm左右的分层。真空灌注用环氧树脂(AralditeLY1564SP)和固化剂(Aradur3486)的质量配比为100:34。真空灌注完℃成后,室温固化48h,真空干燥箱内80后固化12h,得到[0/0]、[0/45]和[+45/一45]复合材料分层试板厚度分别为3.8-+0.05mm、4.1±0.05mm和4.2-4-0.05mm。然后将复合材料试板切割成宽度为25mm的长条形试件。由于聚四氟乙烯薄膜预制了钝的裂纹尖端,采Ⅱ用型方式对裂纹进行预裂。图1为最后获得的ENF试件,尺寸为160x25mm,预裂纹长度为40mm,每类有效试件均不少于10个。图1复合材料试件几何尺寸Fig.1Geometryandsizeofthecompositespecimens复合材料ENF试验在CMT5305型万能拉压试验机上完成,图2为复合材料试件加载现场图。跨距2为100mm,有效裂纹长度a为25mm,试验采用位移控制,加载速率设为2mm/min。试件加载过程中,同时利用AMSY.5全波形声发射仪实时监测并记录整个加载过程中的声发射信号。声发射监测采用1个VS150一RIC型传感器(频率范围100~450kHz,内置前置放大器增益34dB,中心频率150kHz),采样频率为5MHz。传感器与试件之间用高真空油脂耦合,然后用胶带固定在试件上,传感器距分层裂纹尖端的距离为65mm。通过试验尝试,声发射信号采集阀值设为46dB。图2复合材料试件加载现场Fig.2Thesceneofspecimensloading2结果与讨论2.1分层扩展力学响应Ⅱ图3为复合材料试件型分层扩展试验载荷.位移曲线。加载初始阶段,随位移增加,三类分层试件载荷基本呈线性增长趋势。当接近破坏峰值时,伴随着损伤的累积,载荷一位移曲线出现非线性。当加载至峰值载荷时,[0/0]复合材料分层试件裂纹尖端沿层间迅速扩展,载荷急剧下降。与[0/0]复合材料分层试件相比,[0/45]和[+45/-45]复合材料分层试件裂纹载荷的下降相对缓慢,这可归结于复合材料试件层间破坏机理的不同。图3复合材料试件试验载荷一位移曲线—Fig.3ForcedisplacementcurvesofthecompositespecimensⅡ图4为复合材料型分层试件典型的破坏特征。从图4(a)可以看出,箭头方向为分层扩展方向,白色区域为分层扩展区,三类试件分层扩展行为明显不同。由于[0/0]复合材料分层试件裂纹扩展较快,一般能获得较大面积的分层区,且扩展前沿较为平齐。而[0/45]和[+45/一45]复合材料分层试件受±45。方向纤维作用,分层区面积相对较小,分层扩展前沿不齐,并呈现一定的随机分布特征。标记出分层扩展前沿,沿分层界面将试件劈开,获得分层界面破坏特征,如图4(b)所示。[0/0]复合材料分层试件单向纤维纵向与裂纹走向一致,当裂纹尖端出现不稳定扩展后,沿层间迅速扩展,裂纹面较为平整,较少出现纤维破坏现象。就[0/45]和[+45/一45]复合材料分层试件而言,±45。纤维方向与裂纹走向存在一定夹角,不同方向纤维和基体的泊松比失配更为严重,分层界面的微损伤累积导致沿纤维方向微裂纹的萌生与扩展。_譬啦0|践2015年第1期玻璃钢/复合材料57l00是80曼萤。40(b)Delaminationina[0/45]interface(C)Delaminationina[+45/一45]interface图6复合材料试件声发射幅度/持续时间一时间历程—Fig.6AEamplitude/durationtimetimehistorygraphofthecompositespecimens[0/0]复合材料试件预分层裂纹尖端区域微损伤累积阶段,随微损伤的不断累积,声发射事件逐渐增多,且对应的幅值和持续时间也呈明显上升趋势。当损伤累积到一定程度,将导致分层界面不稳定扩展,此时高低幅值的声发射信号均有出现。但可明显看出,高幅值声发射信号一般具有较长的持续时间,这类信号对应着分层界面宏观裂纹的扩展。由此可见,预制裂纹尖端区域微损伤与宏观裂纹扩展所产生的声发射信号明显不同,可作为判定复合材料分层损伤状态的有效依据。如图6(b)所示,[0/45]复合材料分层试件微损伤累积阶段,出现一些较高幅值和较长持续时间的声发射信号。这表明,由于45。方向纤维的作用,预分层裂纹尖端区域微损伤出现得更早,且损伤程度相对严重。当出现分层界面宏观裂纹扩展时,对应高幅值和长持续时间的声发射信号。比较图6(b)和图6(C),两类试件预分层裂纹尖端区域微损伤累积阶段,声发射信号的持续时间基本一致。但[+45/-45]复合材料分层试件对应着较多5O一85dB的声发射信号,该类信号的持续时间一般较短。这进一步表明,由于±45。方向纤维的相互作用,分层界面沿纤维方向微裂纹的萌生与扩展更为明显。纤维与基体的泊松比失配而导致的应力集中,使裂纹尖端区域微损伤程度更为严重。Ⅱ综上所述,三类复合材料试件型分层微损伤累积和不稳定扩展表现出不同的特性:[0/0]复合材料试件分层界面宏观裂纹不稳定扩展对应较多高幅值、长持续时间的声发射信号;由于+45。方向纤维的作用,[0/45]和[+45/-45]复合材料分层试件裂纹尖端区域微损伤程度更为严重。3结论(1)由于[0/0]复合材料分层试件裂纹扩展较快,一般能获得较大面积的分层区,且扩展前沿较为平齐,与[0/0]复合材料试件相比,[0/45]和[+45/-Ⅱ45]复合材料试件型分层扩展相对缓慢;受±45。方向纤维作用,分层区面积相对较小,分层扩展前沿不齐,并呈现一定的随机分布特征;(2)由于±45。纤维方向与裂纹走向存在一定夹角,分层界面的微损伤累积导致沿纤维方向微裂纹的萌生与扩展。与[0/0]复合材料分层试件相比,[0/45]和[+45/一45]复合材料试件不稳定分层扩展前,声发射撞击累积数较高,但整个破坏过程的声发射撞击累积总数很低;Ⅱ(3)风电叶片复合材料型分层损伤演化可分为预分层裂纹尖端区域微损伤累积和分层不稳定扩展两个基本的过程,[0/0]复合材料试件分层界面宏观裂纹不稳定扩展对应较多高幅值、长持续时间的声发射信号;由于±45。方向纤维的作用,[0/45]和[+45/-45]复合材料分层试件裂纹尖端区域微损伤程度更为严重。参考文献[1]王耀东,何景武,夏盛来.复合材料叶片结构设计中的几个关键问题探讨[J].玻璃钢/复合材料,2012,(1):34.38.——[2]GhasemnejadH,OeehinerlL,SwiftHookDT.Postbucklingfailure—inmultidelaminatedcompositewindturbinebladematerials[J].—MaterialsandDesign,2011,32(1O):51065112.[3]BarrettJD,FoschiRO.ModeIIstressintensityfactorsforcrackedwoodbeams[J].EngineeringFractureMechanics,1977,9(2):371.378解l%童.rr..、.L_O∞∞∞∞∞p/三ll盘薯《58Ⅱ复合材料型分层损伤演化声发射监测2015年1月Ⅱ[4]于志成.复合材料型层间断裂韧性试验方法研究[J].航空材—料学报,1997,17(4):5461.[5]孙先念,陈浩然,苏长健,刘相斌.含分层损伤复合材料层合板—分层扩展研究[J].力学学报,2000,32(2):223232.—[6]Szekr6nyesA.Interlaminarstressesandenergyreleaseratesindelaminatedorthotropiecompositeplate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清华君
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