風電葉片玻璃纖維布的疲勞性能實驗研究

常軍委，吳彥波，宋 偉，楊靜浩，別春華

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

葉片是風力發(fā)電機中最基礎和最關鍵的部件，其良好的設計、可靠的質量和優(yōu)越的性能是保證機組正常穩(wěn)定運行的決定因素。而玻璃纖維布是目前構成風電葉片組織結構的主要材料之一，玻璃纖維布的強度和硬度對葉片的重量、強度、疲勞性能和壽命等有著顯著的影響，雖然國內外在復合材料玻璃纖維布力學性能的試驗研究和理論分析等方面做了很多研究工作，但由于風電葉片制造過程中大量采用玻璃纖維布，其制造工藝各不相同且使用環(huán)境復雜，仍需對玻璃纖維布在不同程度破壞后的力學性能進行針對性研究[1-2]。

本文對風電葉片制造過程中所用的玻璃纖維布試驗件進行了拉伸、疲勞等試驗，研究分析了不同損傷程度的玻璃纖維布的復合板疲勞力學性能及其破壞形態(tài)，為正確使用玻璃纖維布提供了理論依據(jù)，對車間實際操作具有重要指導意義。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

本文試驗所用的試樣是由 4層玻璃纖維布和芯材 Balsa木真空灌注而成，所用玻璃纖維布類型是ETL-750三軸向布，即由3個方向的玻璃纖維編織而成，分別為 0°、±45°方向[3]，沿 0°方向分布的纖維單位面積質量為 142g/m2，沿±45°方向分布的纖維為300g/m2，縫紉滌綸為 8g/m2，單位面積總質量750g/m2，芯材Balsa木厚度為16mm。

具體材料如表1所示。

夾芯結構鋪層順序：2層纖維布+Balsa木+2層纖維布。

表1 材料準備Tab.1 Material preparation

制樣過程：在真空灌注前用美工刀沿垂直于纖維布 0°紗方向對玻璃纖維布進行不同程度的劃傷，玻璃纖維布劃傷程度分別記為：不劃傷、輕微劃傷、劃傷 1層布、劃傷 2層布，做好標記后進行真空灌注、固化后制樣做拉伸、疲勞試樣，見圖1。

圖1 樣板制作過程Fig.1 Making process of sample

1.2 試驗制樣

加熱固化后在劃傷區(qū)域的樣板上制樣，尺寸(長×寬×厚)：250mm×20mm×19mm，見圖2。

圖2 取樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of sample

1.3 試驗儀器

制取的試樣在疲勞試驗機上進行試驗，疲勞試驗機型號：JXYA105C(100kN液壓夾具)，見圖3。

圖3 疲勞試驗機Fig.3 Fatigue test machine

2 試驗結果與分析

2.1 拉伸試驗

為了確定試樣所能承受的最大載荷，選取1個正常無損傷的玻璃纖維布試樣在疲勞試驗機上進行軸向拉伸試驗，試樣尺寸檢測值(長×寬×厚)：250mm×19.86mm×18.27mm。

試驗結果如圖 4所示。試樣拉斷時所承受的最大載荷F為13922N，則：

抗拉強度＝13922N/(19.86mm×18.27mm)＝38.4MPa

圖4 試驗拉伸斷裂后圖片F(xiàn)ig.4 Pictures after tensile fracture

2.2 疲勞試驗

選取無損傷試樣拉伸最大載荷的 40%，即15MPa施加于不同損傷程度的玻璃纖維復合板試樣進行疲勞試驗，試驗結果如表2所示。

表2 試驗數(shù)據(jù)對比Tab.2 Comparison of test data

1#試樣(劃傷2層玻璃纖維布))的疲勞試驗過程如圖5所示。

圖5 1#試樣疲勞試驗過程Fig.5 Fatigue test of 1# sample

試驗結果顯示：1#試樣在載荷 15MPa加載時間5s條件下，纖維布損傷位置發(fā)生斷裂，其損傷位置的背面發(fā)生了分層的現(xiàn)象。

2#試樣(劃傷1層玻璃纖維布))的疲勞試驗過程如圖6所示。

試驗結果顯示：2#試樣在載荷 15MPa加載時間1h條件下，纖維布劃傷位置發(fā)生分層現(xiàn)象，隨著試驗時間的延長，纖維布損傷位置的分層越來越嚴重，當加載時間達4h后在劃傷位置發(fā)生斷裂失效。

3#試樣(劃傷半層玻璃纖維布)的疲勞試驗過程如圖7所示。

圖6 2#試樣疲勞試驗過程Fig.6 Fatigue test of 2# sample

圖7 3#試樣疲勞試驗過程Fig.7 Fatigue test of 3# sample

試驗結果顯示：3#試樣在載荷 15MPa加載時間25h，纖維布損傷位置開始發(fā)生輕微發(fā)白，隨著時間的延長發(fā)白演變?yōu)榉謱?，而且隨著試驗時間的延長損傷位置的分層越來越嚴重，加載時間達 130h后在劃傷位置發(fā)生斷裂失效。

3 總 結

本文對玻璃纖維層損傷程度的疲勞試驗開展了試驗研究，得到了大量試驗結果。其對于風電葉片的生產(chǎn)具有重要指導意義，得出以下結論：

①疲勞試驗過程中，在纖維布損傷位置優(yōu)先發(fā)生分層直至斷裂。

②在加載荷載、疲勞頻率相同條件下，不同損傷程度纖維布的試樣疲勞斷裂時間明顯不同，據(jù)此可以判斷出纖維布損傷程度是影響試樣疲勞的一個重要因素。

③風電葉片玻璃纖維布的損傷程度嚴重影響其疲勞性能，進而影響葉片的服役壽命。

由以上的研究和分析對比可知，在葉片纖維布的鋪層過程中必須保證纖維布的完整無損傷，才能保證復合板材的強度和其他性能，從而保證葉片的服役性能可靠。