風(fēng)力機(jī)葉片主梁材料缺陷演化研究

李 菲，周 勃，張亞楠，杜金堯，陳長(zhǎng)征

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2. 沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 前言

當(dāng)前能源危機(jī)愈演愈烈，綠色、潔凈、可再生的風(fēng)能逐漸凸出其巨大的優(yōu)勢(shì)。風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為我國風(fēng)能綜合利用的主要形式之一，葉片是大型風(fēng)力機(jī)組中捕獲大量風(fēng)能最直接核心的重要部件，風(fēng)力機(jī)組葉片的主梁結(jié)構(gòu)是整個(gè)大型風(fēng)力機(jī)組的葉片主要具有承載力的結(jié)構(gòu)[1]。由于主梁受材料制造和生產(chǎn)工藝等隨機(jī)因素的直接影響，主梁在實(shí)際生產(chǎn)使用過程中常?？赡軙?huì)同時(shí)出現(xiàn)大量氣泡、纖維的斷裂、分層、褶皺等外觀缺陷，給中國風(fēng)電開發(fā)機(jī)組的安全性和運(yùn)行系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的安全威脅[2-4]。因此，對(duì)大型風(fēng)力機(jī)組的葉片機(jī)組主梁結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行演化狀態(tài)分析監(jiān)測(cè)是進(jìn)行風(fēng)力機(jī)機(jī)組葉片主梁狀態(tài)演化監(jiān)測(cè)和風(fēng)機(jī)可靠性演化分析的重要前提條件保證。

聲發(fā)射技術(shù)作為一種動(dòng)態(tài)的無損檢測(cè)技術(shù)，通過自動(dòng)接收和檢測(cè)分析材料在各種缺陷的初始萌發(fā)和擴(kuò)展過程中釋放出的能量而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力和聲波作為其聲源進(jìn)行激勵(lì)[5]。葉片主梁材料在受力檢測(cè)過程中可能會(huì)出現(xiàn)承受基體基層開裂、界面基層脫粘、纖維斷裂、分層及受測(cè)周圍環(huán)境等復(fù)雜因素的影響，所檢測(cè)得到的平穩(wěn)含噪噪聲信號(hào)為非平穩(wěn)含噪信號(hào)。該信號(hào)較為復(fù)雜并且互相之間混疊，傳統(tǒng)的聲發(fā)射信號(hào)參量分析難以準(zhǔn)確地被識(shí)別[6]。小波分析以其自動(dòng)可適應(yīng)地對(duì)聲發(fā)射信號(hào)多時(shí)域分辨率進(jìn)行分解的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使各種動(dòng)態(tài)的聲發(fā)射信號(hào)特征能夠在不同空間內(nèi)合理進(jìn)行分離，從而實(shí)現(xiàn)可在不同時(shí)域和頻域同時(shí)表征多個(gè)信號(hào)特征，為風(fēng)電葉片復(fù)合材料聲發(fā)射信號(hào)源進(jìn)行特征分析及信號(hào)識(shí)別提供更準(zhǔn)確的信號(hào)處理技術(shù)手段[7]。針對(duì)小波分析對(duì)大型風(fēng)力機(jī)組的葉片缺陷的深入研究，饒金根[8]和Zhao[9]分別采用小波包法提取了聲發(fā)射信號(hào)各頻段的能量特征，并通過支持向量機(jī)對(duì)風(fēng)力葉片損傷的模式特征進(jìn)行了有效分析識(shí)別。ChristianUGrosse[10]對(duì)單聲發(fā)射信號(hào)運(yùn)用離散小波變換技術(shù)進(jìn)行七尺度小波分解并進(jìn)行去噪。GangQi[11]對(duì)復(fù)合材料拉伸破壞的典型聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行十一尺度分解，并對(duì)其信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別。目前，國內(nèi)外針對(duì)于主梁復(fù)合材料的分層缺陷聲發(fā)射研究較少。

本文主要針對(duì)主梁復(fù)合材料的層合板易產(chǎn)生的分層缺陷，設(shè)計(jì)并制造了一種有分層缺陷的主梁復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)試件。通過對(duì)主梁復(fù)合材料拉伸破壞實(shí)驗(yàn)，同時(shí)采用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)加載破壞過程，并利用小波分析對(duì)其聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析處理，以實(shí)現(xiàn)主梁缺陷演化特征識(shí)別與缺陷分析。

1 小波分析理論

1.1 小波及小波包分析

(1)

式中，ψ(t)稱為一個(gè)基本小波或者母小波。對(duì)滿足式(1)的母小波ψ(t)作伸縮和平移后，就可以得到一個(gè)滿足式(2)的小波序列。

(2)

式中，a為伸縮(尺度)因子，反映函數(shù)的寬度；b為平移因子，用來監(jiān)測(cè)小波函數(shù)在t軸上的平移位置。

對(duì)于f(t)∈L2(R)，其小波變換定義為信號(hào)與小波基函數(shù)的內(nèi)積，即

(3)

小波包分解是小波分析方法的一種，離散化后的小波包基形如

(4)

式中，k表示尺度；j表示時(shí)間位移；n表示振蕩參數(shù)；un(2k-j)表示尺度為k中心在2-kj的小波函數(shù)。

本文選用dB4小波采集的AE信號(hào)做3層小波包分解，并進(jìn)行第3層系數(shù)重構(gòu)，計(jì)算各葉子能量占比，繪制小波功率譜圖，比較各典型信號(hào)的特征差異。

2 試驗(yàn)方法

2.1 主梁材料試件制備

實(shí)驗(yàn)過程根據(jù)GB/T1447-2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以無堿玻璃纖維布為增強(qiáng)材料，環(huán)氧樹脂基體和固化劑質(zhì)量比為10034。將纖維布按照[45/0-5/90]4 s鋪設(shè)方式鋪放到平板模具上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案要求，在試件制造過程中的第八層和第九層之間放入厚度為0.3 mm、長(zhǎng)為20 mm、寬30 mm的聚四氟乙烯薄膜，利用聚四氟乙烯與樹脂基體很難發(fā)生黏連的性質(zhì)人為地預(yù)制分層缺陷。試件的幾何形狀和尺寸如圖1所示。

圖1 試件尺寸示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求本文對(duì)主梁材料拉伸實(shí)驗(yàn)采用0.05 mm/s的加載速度進(jìn)行位移控制對(duì)試件進(jìn)行拉伸加載。在試件加載過程中，使用聲發(fā)射儀獲取試件損傷的聲發(fā)射信號(hào)，在試件中間位置安裝聲發(fā)射傳感器，傳感器與試件之間利用膠帶固定傳感器，凡士林作為耦合劑。采用美國物理聲學(xué)公司(PAC)的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)R15型壓電陶瓷傳感器，經(jīng)試驗(yàn)確定40 dB的門檻值可以屏蔽外界噪聲干擾，采樣頻率為3 MHz，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能，整個(gè)缺陷演化過程大致分為三個(gè)階段：

(1)初始階段，無論是從計(jì)數(shù)、能量還是峰值頻率變化趨勢(shì)都能清晰地反應(yīng)出該階段以彈性應(yīng)變能為主。

(2)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，該階段蘊(yùn)藏大量的演化特征信息，聲發(fā)射計(jì)數(shù)表現(xiàn)活躍，該階段可作為材料缺陷演化成宏觀損傷的孕育階段。

(3)失穩(wěn)擴(kuò)展階段，聲發(fā)射計(jì)數(shù)迅猛累積，能量急劇增長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，試樣短時(shí)間內(nèi)斷裂。

3 缺陷演化分析

對(duì)小波包分解系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，提取各頻帶范圍的信號(hào)。以S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7分別表示小波分解系數(shù)由低頻到高頻的重構(gòu)信號(hào)。本文以小波包三層分解為例，對(duì)第三層的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，則總信號(hào)S可以表示為

S=S0+S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7

采用“dB4”小波對(duì)試件A1和試件A2加載破壞中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波分析重構(gòu)，得到同一時(shí)段的兩個(gè)試件各級(jí)能量系數(shù)如圖3所示。

圖3 小波分解能量系數(shù)分布

對(duì)加載破壞所采集的聲發(fā)射信號(hào)，利用小波包能量譜特征量的提取方法計(jì)算出各個(gè)頻段的能量，樹脂破壞時(shí)，信號(hào)的能量大部分分布在低頻段(頻段2)；當(dāng)纖維斷裂時(shí)，信號(hào)的能量大部分分布在高頻段(頻段7)，由此表明當(dāng)主梁損傷時(shí)的信號(hào)特征在高頻段表現(xiàn)明顯，同時(shí)與實(shí)際情況下纖維破壞較樹脂破壞所需要載荷大釋放出的能量多相吻合。小波能量譜能識(shí)別整個(gè)波形參數(shù)中某一種特征是否為主導(dǎo)地位。在200 s、500 s、1 200 s時(shí)，損傷階段的各損傷模式的能量大小是不同的，由此可以根據(jù)高能量損傷模式所占據(jù)的主導(dǎo)地位分辨出有效區(qū)當(dāng)前的損傷狀態(tài)。

如圖4、圖5所示，通過對(duì)兩個(gè)階段產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)小波處理后的功率譜分析可知，前后的聲發(fā)射信號(hào)存在明顯的差異，損傷過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)頻率集中在50～400 kHz之間。由于基體樹脂強(qiáng)度較低，開裂時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)幅值較小并且持續(xù)的時(shí)間最短，信號(hào)的峰值頻率主要出現(xiàn)在50 kHz附近，頻率最低；纖維剝離是一個(gè)持續(xù)性過程，從波形上看，信號(hào)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)到1 ms，頻率范圍也較寬，幅值衰減緩慢且規(guī)律性較強(qiáng)，這主要是因?yàn)榇穗A段材料內(nèi)部損傷加劇且持續(xù)，纖維與樹脂之間產(chǎn)生大量的破壞。從信號(hào)的頻譜可以看出，抽絲過程中伴隨著界面分層現(xiàn)象，信號(hào)的峰值頻率出現(xiàn)在100～150 kHz間；纖維斷裂信號(hào)幅值較高，信號(hào)的峰值頻率出現(xiàn)在400 kHz附近，并且峰值較明顯；試件在最終斷裂時(shí)，由于大量纖維和樹脂集中斷裂，釋放出大量能量，出現(xiàn)連續(xù)型突發(fā)信號(hào)，信號(hào)的幅值最高，峰值頻率可達(dá)到200～400 kHz。

圖4 試件A1的小波分解功率譜

圖5 試件A2的小波分解功率譜

4 結(jié)論

(1)風(fēng)力機(jī)葉片主梁聲發(fā)射信號(hào)主要分布在50～400 kHz的頻帶范圍內(nèi)。而且，隨著加載的進(jìn)行，聲發(fā)射信號(hào)的主頻有由中高頻段向低頻段發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著加載的進(jìn)行，平均主頻也有向低頻段發(fā)展的趨勢(shì)。

(2)風(fēng)力機(jī)葉片主梁損傷產(chǎn)生的信號(hào)為突發(fā)型信號(hào)，存在基體開裂、纖維剝離、界面分層、纖維斷裂4種典型信號(hào)，其波形及頻譜區(qū)分度較高，存在不同的峰值頻率范圍。工程應(yīng)用中，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行收集，利用小波分析等信號(hào)處理方式，可以清晰了解其損傷演化，因此這種方法對(duì)于工程實(shí)際的葉片運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有借鑒意義。交叉型肋板比豎直型肋板動(dòng)態(tài)特性更佳。