金属-复合材料柱壳胶接头扭转声发射行为.pdf

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2015年第5期玻璃钢/复合材料33金属/复合材料柱壳胶接头扭转声发射行为庞艳荣,刘然,周伟,龚婧(河北大学质量技术监督学院,河北保定071002)摘要:采用声发射技术对扭转加载作用下金属/玻璃纤维复合材料柱壳试件的破坏损伤全过程进行实时监测,通过实验方法与数值分析共同研究螺栓以及壳体尺寸对柱壳试件胶接接头损伤破坏的扭转特性及其声发射响应特征的影响。结果表明。柱壳试件的扭转加载曲线基本表现为线性,主要的失效模式为内聚破坏且伴随着纤维断裂和基体开裂。增大螺栓直径,能有效增强金属/玻璃纤维复合材料柱壳的抗扭性能。柱壳试件的损伤破坏与其声发射信号的相关参数相对应,较大螺栓直径的柱壳试件损伤破坏对应着较高的声发射幅度、相对能量、持续时间和较多的撞击累计数。因此,可将声发射信号的动态变化特征作为风电叶片叶根结构安全评估的重要依据。关键词:风电叶片;柱壳;扭转;声发射中图分类号:TB332文献标识码:A—文章编号:1003-0999(2015)05-003305随着世界能源危机的El益严重,风能作为一种清洁的可再生能源已成为能源领域发展最快的高新技术之一。风电叶片是风力发电机组的重要部件之一,…直接影响着整个发电机组的性能。玻璃钢由于其较高的比强度和比模量,以及抗疲劳性能好等优点,成为风电叶片的常用材料。其中叶片根部结构将叶片与轮毂连接为一体,已经成为叶片设计中最关键的部分,大型风电叶片常见的叶根连接方式是T螺栓连接和螺栓套筒预埋连接J。叶根结构承受的载荷最大,且应力状态复杂,所以要求其必须具有足够的强度和弯扭刚度。因此,叶根结构的研究对确保风电叶片安全运行具有重大意义。近年来,国内外学者对胶接结构进行了相关的理论实验研究和有限元分析J。郭霞等¨刮对复合材料单搭接接头的单轴向拉伸实验进行了有限元数值模拟,分析了搭接长度对接头的应力分布和损伤破坏模式的影响。Hosseinzadeh等基于实验和有限元分析,研究了不同胶接长度钢管接头的扭转特性,利用有限元模型预测了胶接结构的承载能力。然而,针对金属和玻璃钢胶接结构损伤破坏过程的研究涉及较少。声发射技术是一种能够有效反映材料和结构动态损伤过程的检测技术。胡绍海等刘利用声发射技术检测和评估金属胶接结构的强度。Matta等通过对声发射信号参数的分析,确定了损伤机制和区域。此外,Zarouchas和vanHemelrijckl1基于声发射和数字相关技术区分了胶接结构不同的损伤模式。由此可见,利用声发射技术能够有效监测胶接结构的破坏过程,为其损伤机制的研究提供分析依据。笔者通过模拟风电叶片叶根连接结构,对金属/玻璃纤维复合材料柱壳结构施加扭转加载,并采用声发射技术进行全过程实时监测,揭示了不同直径的螺栓对金属/玻璃纤维复合材料柱壳胶接接头损伤演化破坏规律及其声发射响应特征的影响,为风电叶片叶根结构的安全性评估和健康监测提供重要的参考依据。1实验部分1.1材料与制备柱体材料采用42CrMoA钢,壳体材料为玻璃纤—维单轴向布(ECW6001270,600g/in)和玻璃纤维双——轴向布(EDB8001270( ̄45。),8oog/m),实验所用的环氧树脂(AralditeLY1564SP)与固化剂(Aradur3486)的质量比控制为100:34。将裁剪好的单向和多向纤维布依次缠绕在金属螺栓上,室温固化24h,干燥箱内8Occ固化12h后,得到长度为20mm、厚度为7mm的壳体试件。对壳收稿日期:2014.12.09基金项目:河北省自然科学基金(E2012201084);国家级大学生创新创业训练计划(2014100750004)作者简介:庞艳荣(1963一),女,硕士,副教授,主要从事声学、电信号分析研究。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声学无损检测研究,zhouweihy@126.tom。62015年第5期玻璃钢/复合材料352.2扭转声发射特征声发射能量、幅度、撞击累计数、持续时间等相关参数反映了加载过程中声发射活动的特征,整个加载过程被分为加载初期和破坏阶段。声发射参数可用来描述柱壳试件胶接接头的破坏损伤行为。图4所示为柱壳试件扭转加载中声发射相对能量.扭转角历程。从图4(a)中可以看出,螺栓直径为8mm的试件在扭转加载的初期由于胶层损伤较少,声发射相对能量一直处于较低的水平,随着扭矩的增大,损伤不断积累,声发射事件逐渐增多,相对能量持续增长,直至胶接接头被完全破坏,此时,对应的声发射相对能量最高,数值约为10400。从图4(b)中可以看出,螺栓直径为12mm的试件在扭转加载的初期与图4(a)相似,但随着扭矩的增大,在破坏阶段释放出声发射信号的相对能量远高于图4(a),此时,破坏时的最大相对能量约为23800。对比图4(a)和图4(b)可知,两种试件在扭转加载过程中声发射相对能量的变化大致相同,在加载初期均无明显的声发射信号的出现,随着扭矩的增大,损伤的不断积累,声发射相对能量在胶接接头的破坏阶段增至最大。螺栓直径为12mm的试件破坏时对应的声发射相对能量远远大于螺栓直径为8ram的试件,这是由于较大的直径对应着较大的胶接强度,同时也与图3中出现的纤维断裂和基体开裂有关。上述结果表明螺栓直径越大,对应的声发射相对能量越高。擎§黑2尝Torsionangle/。(a)Diameterof8n3/n童基《lJ246Torsionangle/。图4柱壳试件声发射相对能量一扭转角历程Fig.4AErelativeenergy-torsionanglecurve—ofcylindershellspecimen图5为柱壳试件扭转加载中声发射撞击累计数.扭转角历程。螺栓直径为8mm的试件在加载初期声发射撞击累计数变化缓慢,当进入破坏阶段,随着损伤的积累,声发射撞击累计逐渐加快。与螺栓直径为8mm的试件对比,直径为12mm的试件在加载初期声发射撞击累计数同样变化缓慢,这是因为加载初期并无明显的损伤破坏,随着扭矩的增大,当加载进入破坏阶段,声发射累计数远远高于加载初期,且增长很快,整个加载过程的声发射撞击累计数远多于螺栓直径为8mm的试件。这是由于随着螺栓直径的增大,胶接面积变大,应力集中现象导致胶层出现更多的损伤积累以及纤维基体破坏。实验结果进一步表明随着螺栓直径的增大,产生的受力不均匀性增加,应力集中更明显,从而出现较多的声发射信号。l20090060030002468Torsionangle/。图5柱壳试件声发射撞击累计数一扭转角历程Fig.5AEcumulativehits・torsionanglecurve—ofcylindershellspecimen_獭lgO0OO0嗍㈣咖加m36金属/复合材料柱壳胶接头扭转声发射行为2015年5月图6为柱壳试件扭转加载中声发射幅度/持续时间-时间历程。从图6(a)中可以看出,螺栓直径为8mm的试件在加载初始阶段只有较少的声发射信号出现,且幅度大部分低于60dB,持续时间低于5000 ̄s,随着扭矩增大,加载进入破坏阶段,胶接接头的损伤不断积累,出现了较高幅度和持续时间的声发射信号。从图6(b)中可以看出,螺栓直经为12mm的试件在加载初期声发射信号较少,随着扭矩的增大,加载进入破坏阶段,声发射信号远多于图6(a),且出现了大量幅度高于90dB、持续时间高于lO0001xs的声发射信号,这一现象源于螺栓直径的增大导致胶层受力不均匀性的增加,更加明显的应力集中引起了更多的纤维基体损伤破坏,从而导致在破坏阶段出现了大量高幅度的声发射信号。实验结果再次证明柱壳试件胶接接头的损伤破坏过程与其对应的声发射信号相关,上述结果可为叶片根部结构的无损检测提供重要依据。(b)Diameterof12mm图6柱壳试件声发射幅度/持续时间一时间历程Fig.6AEamplitude/durationtime-timecurveofcylinder-shellspecimen肆3数值分析为了进一步验证试验结果,对两种柱壳试件分别进行了有限元模拟。图7为柱壳试件沿着搭接长度的剪切应力分布图。从图7中可以看出,两种试件胶接区域的剪切应力均沿着搭接长度减小,螺栓直径为12mm的试件最大剪切应力大于螺栓直径为8ram的试件。结果表明,最大剪应力值发生在胶接接头边缘处,导致接头端部破坏,从而引起整个胶接区域的破坏。随着螺栓直径的增大,应力集中更明显,损伤破坏对应着更多的声发射信号。数值分析结果与实验结果取得了较好的吻合。252051Ol520Overlappinglength/mm图7柱壳试件胶接接头剪切应力分布Fig.7Distributionoftheshearstressforadhesivejointsofcylinder・shellspecimen4结论(1)金属/玻璃纤维复合材料柱壳试件的扭转加载过程曲线基本表现为线性,胶接接头的失效模式为内聚破坏且伴随着纤维断裂和基体开裂。增大螺栓直径,能有效增强金属/玻璃纤维复合材料柱壳的抗扭性能;(2)柱壳试件在加载初期的声发射信号幅度和相对能量较低,撞击累计数较少,随着扭矩的增加,加载进入破坏阶段,出现了较高幅度和相对能量的声发射信号,且撞击累计数持续增多。较大螺栓直径的柱壳试件由于应力集中现象对应着较高的声发射幅度、相对能量、持续时间和较多的撞击累计数;(3)在整个扭转加载过程中,柱壳试件的损伤破坏与其声发射信号的相关参数相对应,动态声发射信号的响应特征可为风电叶片叶根结构安全评估和无损检测提供重要依据。日堇“∞2%Q【【2015年第5期玻璃钢/复合材料37参考文献[1]FischmanDL,LeonMB,BalmDS.Arandomizedcomparisonofcoronarystentplacementandballoonangioplastyinthetreatmentofcoronaryarterydisease[J].NewEnglandJournalofMedicine,—1994,331(8):496501.[2]BrCndstedP,LilholtH,LystrupA.Compositematerialsforwindpowerturbineblades[J].AnnualReviewofMaterialsResearch,2005,35:505・538.[3]JoselinHGM,IniyanS,SreevalsanE,eta1.Areviewofwinden-ergytechnologies[J].Renewable&SustainableEnergyReviews,—2oo7,l1(6):l1171145.[4]吴胜军,史俊虎,裴鹏宇.风电叶片叶根连接方式概述[J].玻璃钢/复合材料,2014,7:8587.[5]孙鹏文,邓海龙,张兰挺,等.1.5MW风机叶片根部连接结构强—度分析[J].机械设计与制造,2013,5:207209.[6]BudzikMK,JumeJ,ShanahanMER.Onthecrackfrontcurvatureinbondedjoints[J].TheoreticalandAppliedFractureMechanics,2012,59(1):8-20.[7]王孝慧,姚卫星.复合材料胶接结构有限元分析方法研究进展—[J].力学进展,2012,42(5):562571.—[8]KimKS,YiYM,ChoGR,eta1.Failurepredictionandstrengthimprovementofunidirectionalcompositesinglelapbondedjoints[J].CompositeStructures,2008,82(4):513-520.[9]XuW,WeiYG.Strengthandinterfacefailuremechanismofadhesivejoints[J].Internationaljournalofadhesionandadhesives,—2012,34:8092.[10]郭霞,关志东,刘遂,等.搭接长度对复合材料单搭接胶接接—头的影响[J].科技导报,2013,31(7):3741.[11]HosseinzadehR,ShahinK,TaheriF.Asimpleapproachforchar-—acterlzingtheperformanceofmetallictubularadhesivelybondedjointsundertorsionloading[J].JournalofAdhesionScienceand—Technology,2007,21(16):16131631.—[12]BeatiteAG.AcousticemissionPrinciplesand[J]JoumalofAcousticEmission,1983,29:5-128.[13]胡绍海,张树京.胶接结构的声发射检测[J].无损检测,1994,—16(6):154156,163.[14]MattaF,RizzoP,KarbhariVM,eta1.Acousticemissiondamageassessmentofsteel/CFRPbondsforrehabilitation[J].Journalof—CompositesforConstruction,2006,10(3):265274.[15]ZarouchasD,vanHemelrijckD.Mechanicalcharacterizationanddamageassessmentofthickadhesivesforwindturbinebladesusingacousticemissionanddiotalimagecorrelationtechniques[J].—JournalofAdhesionScienceandTechnology,2014,28(1415):—】5O015】6.’’’’’’ACoUSTICEMMISIONBEHAVIoR0RADHESIVEJoINIS0卫MErlALl/GRPCYLINDER.SHELLUNDERToRSIoNTEST—PANGYanrong,LIURan,ZHOUWei,GONGJing(CollegeofQualityandTechnologySupervision,HebeiUniversity,Baoding071002,China)Abstract:Acousticemission(AE)testingtechnologywasusedtomonitortheprocessofdamageandfailureofmetal//GFRPcylinder-shellspecimenundertorsiontestinrealtime.Byexperimentandnumericalsimulation.the—effectofsizesofboltandshellontorsionalpropertiesofadhesivejointofmetal/,GFRPcylindershellspecimenand—correspondingAEcharacteristicswerestudied.Theresultsshowthattheloadtimecurveofcylinder-shellspecimenisbasicallylinear.Itisfoundthatcohesivefailureisthedominantfailuremodewithfiberbreakandmatrixcrack.—Increasingthediameterofboltcaneffectivelyimprovethetorsionalpropertiesofmetal//GFRPcylinder-shel1.Besides,AEparametersarerelatedtothedamageandfailureprocess.HigherAEamplitude,relativeenergy,duringtimeandmorecumulativehitsareconnectedwiththedamageprocessofspecimenwithlongerboltdiameter.There-fore,dynamiccharacteristicsofAEsignalscanprovideevidencesforsecurityevaluationofwindturbinebladesroots.—Keywords:windturbineblade;cylindershell;torsion;acousticemission韵峨删删
村长
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