風電葉片玻璃鋼復合材料聲發射衰減與源定位

周偉,田曉,張亭,馮艷娜,孫詩茹

(河北大學 質量技術監督學院, 河北 保定 071002)

風電葉片玻璃鋼復合材料聲發射衰減與源定位

周偉,田曉,張亭,馮艷娜,孫詩茹

(河北大學 質量技術監督學院, 河北 保定 071002)

為實現風電葉片結構健康監測中典型聲發射源的特征分析和精確定位，以風電葉片玻璃纖維增強單向復合材料和多層復合材料為研究對象，采用Φ0.5 mm鉛芯為模擬聲發射源，探討聲發射波在復合材料中的傳播、衰減特性和定位精度.實驗研究結果表明：單向復合材料縱向和橫向的聲發射傳播與衰減特性明顯不同，縱向聲速大、衰減小；風電葉片現場檢測中聲發射源的精確定位，應綜合考慮復合材料的結構和聲學特性.

風電葉片；復合材料；聲發射；衰減；定位

玻璃纖維增強復合材料比強度、比模量高，抗疲勞性能好，廣泛用于制造風電葉片復合材料結構.受制造工藝等隨機因素影響，風電葉片難免會產生纖維斷裂、缺膠和分層等結構缺陷，這些缺陷在實際靜/動載荷、疲勞等條件作用下，將加劇風電葉片結構的損傷累積和失穩破壞[1].為此，風電葉片玻璃鋼復合材料結構健康監測對確保風電葉片長期可靠運行具有重要作用[2].

聲發射檢測技術對動態缺陷敏感，能做到實時監測，可有效反映纖維增強復合材料損傷失效的過程[3].近年來，國外相關學者相繼開展了聲發射技術在風電葉片的早期損傷預報和結構健康監測方面的研究[4].國內在該領域的研究處于起步階段，主要包括風電葉片裂紋的聲發射監測[5]和結構健康監測的設想[6].但針對風電葉片玻璃鋼復合材料聲發射衰減與定位的研究涉及較少.本文以風電葉片單向復合材料和多層復合材料為研究對象，采用Φ0.5 mm鉛芯為模擬聲發射源，獲取聲發射波在復合材料中的傳播、衰減規律和源定位特性，為風電葉片復合材料結構的現場健康監測提供參考依據.

1 實驗過程

實驗所用風電葉片單向復合材料由單向玻璃纖維環氧預浸料(牌號為G15000)在平板模具上鋪設60層后，烘箱內加熱加壓固化獲得，復合材料層板厚度為6 mm.在風電葉片上切割的多層復合材料試件平均厚度為24 mm.實驗過程中，以Φ0.5 mm鉛芯為模擬聲發射源，利用AMSY-5全波形聲發射儀實時監測并記錄聲發射信號.聲發射監測采用3～4個100～900 kHz的寬頻帶傳感器，內置前置放大器增益為40 dB，中心頻率為150 kHz，采樣頻率為10 MHz，信號采集閥值設為46 dB.單向復合材料衰減與聲速測量時，4個傳感器直線排列，縱向間距均為60 mm，橫向間距均為40 mm，模擬聲發射源距最近傳感器中心的距離為20 mm.多層復合材料衰減與聲速測量時，3個傳感器直線排列，間距為60 mm，模擬聲發射源距最近傳感器中心的距離為20 mm.定位測量時，4個傳感器矩形布置，單向復合材料間距為100 mm和80 mm，多層復合材料間距為95 mm和55 mm.聲發射監測過程中，傳感器與試板之間用凡士林耦合.

2 結果及討論

2.1單向復合材料衰減與源定位

風電葉片單向復合材料聲發射幅度衰減如圖1所示.縱向和橫向衰減均通過3次有效模擬聲發射源依次到達4個傳感器的幅度來獲取.

圖1 單向復合材料聲發射幅度衰減

實驗結果表明：3次模擬聲發射信號的幅度衰減基本一致，能有效代表單向復合材料縱向和橫向的聲發射衰減特性；縱向衰減為0.58～1.6 dB/cm，橫向衰減為2.4～4 dB/cm.可見，單向復合材料聲發射橫向衰減要明顯高于縱向衰減，這一現象主要源于單向復合材料的結構特征.風電葉片單向復合材料纖維均縱向排列，聲波在復合材料中的縱向傳播主要沿纖維方向進行，衰減相對較小；而沿復合材料橫向，樹脂和纖維交替出現，聲波的傳播遵循樹脂-纖維-樹脂的循環過程，出現多次樹脂與纖維的界面反射，從而造成能量的散射和吸收，導致復合材料橫向有較大的聲發射幅度衰減.

斷鉛模擬聲發射源到達各傳感器的波形和頻譜如圖2所示，各傳感器獲取的波形和頻率特性變化不大，未出現聲發射波的頻散效應.依據聲發射波到達各傳感器的時間差和傳感器間距，可計算出聲發射在單向復合材料中的傳播速度.

通過計算可得，風電葉片單向復合材料縱向聲速約為4 640 m/s，橫向聲速約為1 835 m/s.可見，聲發射波在單向復合材料中的縱向傳播速度明顯高于橫向傳播速度.聲波在材料中的傳播速度主要與介質的彈性模量和密度有關，彈性模量與密度的比值越高，對應的波速也越高.玻璃纖維與樹脂基體的密度相差不大，但玻璃纖維的彈性模量要明顯高于樹脂基體，這說明聲發射波在玻璃纖維中的傳播速度較大，聲波在復合材料中的縱向傳播就是沿纖維方向進行的.聲發射波在樹脂基體中的傳播速度相對較小，且橫向傳播時，聲波在樹脂與纖維的界面出現多次反射而延長了聲程，造成較低的橫向傳播聲速.在風電葉片聲發射源定位中予以充分考慮單向復合材料縱向和橫向聲速的差異.

a.傳感器1；b.傳感器2.

在風電葉片結構健康現場監測中，傳感器一般布置在葉片表面.為獲取聲發射源的位置，應采用聲發射傳感器陣列來實現二維平面定位.在已知聲波在風電葉片復合材料中速度的情況下，可依據聲發射信號到達各傳感器的時間差，計算出聲發射源的精確位置.本文采用4個傳感器，取聲速為3 300 m/s，結合AMSY-5系統得到風電葉片單向復合材料聲發射源定位實驗結果如圖3所示.

圖3 單向復合材料聲發射源定位

實驗結果表明：聲發射定位源基本上能反映出模擬聲發射源的位置，但也存在著一定的誤差.這是由于單向復合材料縱向和橫向聲速差別較大，采用單一聲速的時差定位方法不能有效獲取精確的定位源.在風電葉片現場檢測中，可根據風電葉片復合材料結構的特點，采用時差定位和區域定位綜合分析，來進行聲發射源的定位.

2.2多層復合材料衰減與源定位

通過模擬聲發射源依次到達3個傳感器的幅度，得到多層復合材料聲發射幅度衰減如圖4所示.

實驗結果表明：聲發射信號幅度衰減為1～1.16 dB/cm，依據聲發射波到達各傳感器的時間差和傳感器間距，計算出風電葉片多層復合材料聲速約為4 273 m/s，與單向復合材料縱向特性相差不大.

依據4個傳感器形成矩形陣列，結合AMSY-5系統基于小波的定位方法，得到風電葉片多層復合材料聲發射源定位實驗結果如圖5所示.聲發射定位源能較好地吻合模擬聲發射源的位置，越接近中間區域，定位更為準確，其定位精度高于單向復合材料聲發射源定位.為實現風電葉片裂紋等典型聲發射源的精確定位，應充分考慮復合材料的結構特性，并通過現場模擬實驗來驗證.

圖4 多層復合材料聲發射幅度衰減

圖5 多層復合材料聲發射源定位

3 結論

1)風電葉片單向復合材料聲發射橫向衰減明顯高于縱向衰減，且橫向聲速明顯低于縱向聲速.

2)采用中心頻率為150 kHz的聲發射傳感器，幅度最大衰減達4 dB/cm.為避免幅度過快衰減，在風電葉片現場檢測中，應采用低頻的聲發射傳感器來進行聲發射源定位.

3)風電葉片多層復合材料聲發射定位源能較好地吻合模擬聲發射源的位置，越接近中間區域，定位更為準確.

[1] THOMAS M H, DHARMARAJ M, JAMES E L.Post buckling analysis of a wind turbine blade substructure[J].Journal of Solar Energy Engineering, 2005, 127(4): 544-552.

[2] 周偉, 張洪波, 馬力輝, 等.風電葉片復合材料結構缺陷無損檢測研究進展[J].塑料科技, 2010, 38(12): 84-86.

ZHOU Wei,ZHANG Hongbo,MA Lihui,et al.Advances in non-destructive testing of structures defects for wind turbine blade composite material[J].Plastics Science and Technology,2010,38(12):84-86.

[3] 李海斌, 陽建紅, 劉承武, 等.復合材料隨機漸進失效分析與聲發射監測[J].復合材料學報, 2011, 28(1): 223-229.

LI Haibin,YANG Jianhong,LIU Chengwu,et al.Stochastic progressive failure analysis and acoustic emission monitoring of composites[J].Acta Materide Compositae Sinica,2011,28(1):223-229.

[4] GOUTHAM R K, VISHAL S, MARK J S, et al.Monitoring multi-site damage growth during quasi-static testing of a wind turbine blade using a structural neural system[J].Structural Health Monitoring, 2008, 7(2): 157-173.

[5] 袁洪芳, 周璐, 柯細勇, 等.基于聲發射信號的風機葉片裂紋定位分析[J].計算機工程與設計, 2011, 32(1): 320-323.

YUAN Hongfang,ZHOU Lu,KE Xiyong,et al.Analysis of orientation for crackle of wind turbines blade based on acoustic emission signal[J].Computer Engineering and Design,2011,32(1):320-323.

[6] 朱永凱, 潘仁前, 陳盛票, 等.基于聲發射傳感器陣列的風機葉片結構健康監測方法[J].無損檢測, 2010, 32(10): 753-761.

ZHU Yongkai,PAN Renqian,CHEN Shengpiao,et al.Structural health monitoring of wind turbine blade based on sensor array and acoustic emission[J].Nondestructive Testing,2010,32(10):753-761.

(責任編輯：孟素蘭)

Acousticemissionattenuationandsourcelocationofglassfibercompositesforwindturbineblades

ZHOUWei,TIANXiao,ZHANGTing,FENGYan-na,SUNShi-ru

(College of Quality and Technology Supervision, Hebei University, Baoding 071002, China)

In order to achieve typical acoustic emission source characterization and precise location in structural health monitoring of wind turbine blades, usingΦ0.5 mm lead pencil as artificial acoustic emission source, acoustic emission wave propagation, attenuation characteristics and positioning accuracy of unidirectional and multi-layer composites for wind turbine blades have been carried out respectively.The results show that longitudinal propagation and attenuation characteristics of acoustic emission in unidirectional composites are different to transverse direction.High speed and low attenuation of acoustic emission wave are obtained in longitudinal direction.To achieve precise location of acoustic emission source in wind turbine blade testing site, structural and acoustic characteristics of the composites should be considered generally.

wind turbine blade; composite material; acoustic emission; attenuation; location

TB332

A

1000-1565(2012)01-0100-05

2011-07-12

河北省自然科學基金資助項目(E2010000297)；河北大學大學生科技創新項目(2011070).

周偉(1980-)，男，河南信陽人，河北大學副教授，主要從事復合材料聲學無損檢測方面的研究.

E-mail:zhouweihy@126.com