含不同埋深分層損傷復(fù)合材料彎曲破壞聲發(fā)射監(jiān)測

王雅瑞，劉 然，呂智慧，李小亭，周 偉，姜炳晨

（河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071002）

含不同埋深分層損傷復(fù)合材料彎曲破壞聲發(fā)射監(jiān)測

王雅瑞，劉 然，呂智慧，李小亭，周 偉，姜炳晨

（河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071002）

為研究風(fēng)電葉片復(fù)合材料彎曲損傷破壞特性及聲發(fā)射響應(yīng)特征，對含分層缺陷風(fēng)電葉片復(fù)合材料進(jìn)行四點彎曲試驗，并用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測。結(jié)果表明：缺陷位于近表面時的撞擊累積總數(shù)和最高聲發(fā)射相對能量明顯高于缺陷位于中間層時的對應(yīng)值。因此缺陷位置對試件的承載能力有較大影響，隨著分層缺陷距試件表面埋深的減少，試件的承載能力降低，試件破壞程度加劇。分層試件的損傷破壞與對應(yīng)聲發(fā)射信號幅度、撞擊累積數(shù)、相對能量、定位源等特征參量密切相關(guān)。

復(fù)合材料；分層損傷；彎曲破壞；聲發(fā)射

0 引 言

由于風(fēng)電機組實際工作環(huán)境惡劣，且風(fēng)電葉片多采用玻璃纖維、碳纖維復(fù)合材料制造，不可避免的分層等損傷缺陷易導(dǎo)致復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)的損傷累積和最終的失穩(wěn)破壞[1]。為此，對復(fù)合材料損傷演化及其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等方面的研究成為近年來國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點。

聲發(fā)射檢測是一種動態(tài)無損檢測方法，可對缺陷萌生、擴展情況進(jìn)行實時監(jiān)測，為缺陷的實際危害程度評價提供了理論依據(jù)[2-4]。Niezrecki C等[2]以9m CX-100風(fēng)電葉片為研究對象，通過數(shù)字圖像相關(guān)、聲發(fā)射檢測等方法，檢測和追蹤缺陷的產(chǎn)生和擴展過程。Fotouhi M等[5]應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對聚合物基體復(fù)合材料的混合模式進(jìn)行分層研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射技術(shù)可進(jìn)行實際復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。Alander P等[6]利用聲發(fā)射方法對纖維增強復(fù)合材料試件三點彎曲實驗過程實施監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)試件的聲發(fā)射活動從較低的失效載荷（19%～32%)開始。Degala S等[7-8]還將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于其他碳纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷破壞的動態(tài)過程研究。

但針對含分層風(fēng)電葉片復(fù)合材料彎曲損傷破壞聲發(fā)射監(jiān)測方面的研究涉及較少。本文通過對含不同埋深分層損傷的復(fù)合材料試件進(jìn)行四點彎曲試驗，并用聲發(fā)射技術(shù)全程監(jiān)測其分層損傷的演化過程，研究復(fù)合材料力學(xué)性能及聲發(fā)射響應(yīng)特征，揭示含不同埋深分層損傷復(fù)合材料分層演化規(guī)律，為風(fēng)電葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試件制備

采用玻璃纖維單向布（ECW600-1270，600g/m2)為增強材料，環(huán)氧樹脂（Araldite LY 1564 SP)與固化劑（Aradur 3486)的質(zhì)量比控制在100∶34。復(fù)合材料試件如圖1所示，首先將10層纖維布鋪設(shè)在平板模具上，將寬度為25 mm的聚四氟乙烯薄膜分別放置在試件第1層和第2層的中間位置（A試件)、第5層和第6層的中間位置（B試件)來獲得不同埋深的預(yù)制裂紋。然后經(jīng)過真空灌注、室溫固化48 h，真空干燥箱內(nèi)80℃固化12 h后得到實際厚度約為3.8mm的復(fù)合材料層合板。最后將層板制成160mm ×25mm的長條形試件。

1.2 力學(xué)與聲發(fā)射測試

圖1 復(fù)合材料試樣示意圖

復(fù)合材料試件的四點彎曲加載過程在CMT5305型萬能拉壓試驗機（深圳新三思有限公司)上進(jìn)行。同時利用AMSY-5全波形聲發(fā)射儀（德國Vallen公司)對聲發(fā)射信號進(jìn)行采集及記錄。加載過程采用位移控制，加載速率設(shè)為2 mm/min，加載至20 mm時結(jié)束。

聲發(fā)射監(jiān)測采用2個VS150-RIC型號的傳感器，其頻帶為100～450kHz，內(nèi)置前置放大器增益為34dB，中心頻率為150kHz，采樣頻率為5MHz，門檻設(shè)為40dB。傳感器與試件之間用高真空油脂耦合，并用膠帶將其固定，兩個傳感器與預(yù)制分層中心線距離均為60mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 含分層缺陷的復(fù)合材料力學(xué)響應(yīng)與破壞特征

兩種復(fù)合材料試件載荷-撓度曲線如圖2所示。在加載結(jié)束時，A試件載荷為1.29kN，B試件載荷為1.38kN。初始加載階段，A試件的載荷-撓度曲線表現(xiàn)出較好的線性特征。隨著載荷的增加，A試件的預(yù)置分層界面開始破壞，并且出現(xiàn)纖維/基體界面分層擴展，導(dǎo)致復(fù)合材料試件的剛度縮減，進(jìn)而出現(xiàn)彎曲載荷的下降。加載結(jié)束時，分層處向左右兩邊擴展，擴展位移分別為1cm和0.8cm。與A試件相比，B試件載荷撓度曲線近似直線，表現(xiàn)出良好線性特征，實驗結(jié)束時未出現(xiàn)明顯的分層擴展。

圖2 復(fù)合材料試件載荷-撓度曲線

復(fù)合材料試件的四點彎曲破壞特征如圖3所示，圖中矩形黑框內(nèi)的區(qū)域是預(yù)制分層處。箭頭表示分層擴展的方向。A試件在加載過程中伴隨著預(yù)制分層界面開裂、纖維/基體界面開裂及纖維斷裂等破壞形式，并有明顯的損傷擴展，損傷主要集中在試件的近表面區(qū)域。B試件在加載過程中沒有明顯的損傷擴展，可見，當(dāng)分層缺陷位于界面中心位置時，其對界面承載能力影響較小。由此可知，缺陷位置對試件的承載能力有較大影響，隨著分層缺陷與試件表面距離的減少，試件的承載能力降低。

圖3 復(fù)合材料的破壞特征

2.2 含分層缺陷的復(fù)合材料聲發(fā)射響應(yīng)行為

圖4 聲發(fā)射幅度-撞擊累積-時間歷程

復(fù)合材料加載過程中的聲發(fā)射信號撞擊累積-幅度-時間歷程如圖4所示。根據(jù)聲發(fā)射撞擊累積數(shù)及幅度隨加載時間的變化情況，可將圖4（a)中A試件加載過程劃分為起始階段、分層界面開裂階段和分層缺陷擴展破壞階段3個階段。在起始階段，有較少的低幅度信號出現(xiàn)，撞擊累積數(shù)幾乎沒有變化。隨著載荷的增加，聲發(fā)射信號增多，開始出現(xiàn)幅度50～78dB的聲發(fā)射信號（對應(yīng)分層界面開裂)。在分層缺陷擴展破壞階段，出現(xiàn)大量幅度為70～90dB的聲發(fā)射信號，且分層損傷的擴展破壞會導(dǎo)致聲發(fā)射撞擊累積數(shù)呈直線趨勢迅速增加。由圖4（b)可以看出，由于未出現(xiàn)明顯的分層擴展，隨著載荷的增加，B試件撞擊累積數(shù)緩慢增長，只在最后階段出現(xiàn)部分幅度大于70dB的信號。在加載至480s之后，撞擊累積上升速度加快，出現(xiàn)高于80dB的聲發(fā)射信號。這是由于試件在加載作用下開始出現(xiàn)內(nèi)部損傷所致。A試件在分層擴展階段的高幅度信號較多，撞擊累積總數(shù)明顯高于B試件。A試件在預(yù)置分層缺陷開裂及擴展破壞階段一直都存在較多的70～90 dB幅值的聲發(fā)射信號。這是由于預(yù)置分層缺陷加劇了試件的損傷破壞，且分層位置越趨近于近表面，高幅值信號越多，對界面的承載能力影響越大。

圖5 復(fù)合材料試件彎曲載荷-聲發(fā)射相對能量-時間歷程

復(fù)合材料試件加載過程中的載荷-相對能量-時間歷程如圖5所示。從圖5（a)可以看出，A試件在初始加載階段，幾乎沒有聲發(fā)射相對能量，在預(yù)置分層開裂階段，出現(xiàn)了一個高能量的聲發(fā)射信號，相對能量為8609.98，此時對應(yīng)預(yù)制分層的完全開裂。隨載荷增加，試件發(fā)生纖維/基體界面分層擴展，聲發(fā)射相對能量明顯增高，并達(dá)到最大值。從圖5（b)可以看出，B試件在480s之前，聲發(fā)射相對能量值較?。患虞d至480 s后，出現(xiàn)較多的相對能量值為250～1 600的聲發(fā)射信號；在接近加載結(jié)束時出現(xiàn)了一個相對能量高達(dá)3829.99的聲發(fā)射信號。這與圖4（b)在480s之后撞擊累積上升速度加快，出現(xiàn)高于80 dB幅值的聲發(fā)射信號相對應(yīng)。對比圖5中A試件和B試件，A試件最高聲發(fā)射相對能量為23 119.90，B試件最高聲發(fā)射相對能量為3829.99，A試件的最高聲發(fā)射相對能量明顯大于B試件。與圖4中A試件撞擊累積總數(shù)明顯高于B試件相吻合?？梢?，隨著分層缺陷與試件表面距離的減少，試件破壞程度加劇，聲發(fā)射信號的最高相對能量值較高。

復(fù)合材料試件彎曲破壞過程的聲發(fā)射撞擊信號定位如圖6所示。可以看出，復(fù)合材料試件的聲發(fā)射源定位信號主要分布在中心部位。A試件和B試件源定位信號與圖3中復(fù)合材料的破壞特征相對應(yīng)，且A試件的撞擊數(shù)明顯高于B試件。這說明分層缺陷與試件表面距離的減少加劇了復(fù)合材料損傷演化過程。

3 結(jié)束語

圖6 聲發(fā)射撞擊信號定位圖

1)分層缺陷埋深對試件的承載能力有較大影響，隨著分層缺陷與試件表面距離的減少，試件的承載能力減小。風(fēng)電葉片復(fù)合材料的缺陷位于近表面時，加載過程伴隨預(yù)置分層界面開裂、纖維/基體界面開裂及纖維斷裂等破壞形式；缺陷位于中間層時并沒有發(fā)生明顯的損傷破壞。

2)分層缺陷位于近表面的試件撞擊累積總數(shù)和最高聲發(fā)射相對能量明顯高于缺陷位于中間層的試件。并且從分層界面開裂階段到分層擴展破壞階段一直都存在較多的70～90dB幅值的聲發(fā)射信號。隨著分層缺陷與試件表面距離的減少，試件破壞程度加劇。

3)在加載過程中，分層試件的損傷破壞與其聲發(fā)射信號的幅度、撞擊累積數(shù)、相對能量、定位源等特征參量相關(guān)。聲發(fā)射信號的特征參量可作為風(fēng)電葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全評價和健康監(jiān)測的重要依據(jù)。

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Acoustic emission monitoring of flexural failure for composite materials embedded with delamination in different depth

WANG Yarui，LIU Ran，Lü Zhihui，LI Xiaoting，ZHOU Wei，JIANG Bingchen
（College of Quality and Technical Supervision，Hebei University，Baoding 071002，China）

In order to study the bending damage characteristics and acoustic emission（AE）response behaviors of composite materials for wind turbine blades，four-point bending tests and real-time AE monitoring were conducted for composite materials with delamination embedded in different depths.The results show that the total number of cumulative hits and the maximum values of AE relative energy of the specimen with delamination near its surface are remarkably higher than those in the middle layer.The bearing capacity of the specimen is apparently affected by the location of delamination defects.As the delamination defects are getting closer to the specimen surface in burial depth，the loading capacity of the specimen reduces and the damage failure thereof aggravates.The flexural failure of laminated composite materials is correlated with the characteristic parameterssuch asAE signalamplitude，cumulative hits，relative energy and locating sources.

composite material；delamination；flexural failure；acoustic emission

A

：1674-5124（2015）10-0117-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.026

2015-01-26；

：2015-02-27

國家自然科學(xué)基金（11502064)河北省自然科學(xué)基金（F2015201215)

王雅瑞（1992-)，女，河北廊坊市人，碩士研究生，專業(yè)方向為復(fù)合材料聲發(fā)射檢測。

周 偉（1980-)，男，河南信陽市人，副教授，博士，主要從事復(fù)合材料實驗力學(xué)及聲學(xué)無損檢測研究。