復合材料風電葉片褶皺疲勞性能影響研究

吳彥波，劉宏亮

(天津東汽風電葉片工程有限公司 天津300480)

復合材料風電葉片褶皺疲勞性能影響研究

吳彥波，劉宏亮

(天津東汽風電葉片工程有限公司 天津300480)

風機葉片是風力發電系統的關鍵部件之一，由于其外形大、工序復雜，鋪層過程中很容易產生褶皺。褶皺會對產品的性能產生不可忽略的影響。當玻纖鋪設松散時，就會出現復合層褶皺，如果玻纖方向偏離 15,°，玻纖強度就會降低約 50%,。褶皺出現在主復合層將造成葉片的破裂。風電葉片的葉根區域是所有載荷的匯集區，載荷大、受力復雜且容易出現褶皺。為有效評估褶皺對疲勞性能的影響，對 2,MW 復合材料風電葉片葉根鋪層結構進行模擬。結果表明：對于復合材料風電葉片，葉根區域褶皺高寬比達到 0.1時，隨循環次數增加，疲勞強度呈顯著下降趨勢。對于存在褶皺的試驗件，隨著疲勞循環次數的增多，疲勞循環載荷的均值、極值、載荷幅值均明顯降低。

復合材料 風電葉片 褶皺 機械性能

0 引 言

當前風能產業的主流葉片以質量輕和功率高為特征，這樣就要求葉片的生產須嚴格按照要求，稍有意外就會影響到葉片的質量。褶皺是復合材料不容忽視的缺陷。本文選用主流葉片廠家的玻纖和樹脂，模擬2.0,MW復合材料風電葉片葉根的鋪層結構，控制褶皺的高寬比及層數，通過真空灌注工藝成型，研究了葉片內部玻纖褶皺對于葉片疲勞性能的影響。

1 實驗方法設計

①該試驗選用TCR系列玻纖布，RIM135環氧樹脂體系。

②該試驗將在 32層玻纖布的鋪層中制作出包含 8層鋪層的、高寬比為0.1的褶皺。

③對層合板(包含褶皺)做疲勞載荷分析，參照 ASTM D 3479。

2 原材料及試驗設備

2.1 玻纖布(見表1)

2.2 環氧樹脂

采用RIM135。

表1 TCR玻纖布型號Tab.1 Overview of TCR glass fabrics

2.3 試驗設備

采用疲勞試驗機。

3 層壓板鋪設

無褶皺區域：要保證玻纖方向鋪放的準確性，例如，板邊緣和表面的玻纖方向要越準確越好。玻纖布鋪得越平整越好，不要有褶皺、扭結或纖維波動。為了達到該效果，在玻璃板上鋪放前將每層布和所有布層都要搟平。

有褶皺區域：在第24層至32層，制作褶皺方向＝45,°，高寬比H/W＝0.1(高5,mm、寬50,mm)，褶皺長度640,mm。

修邊后平板尺寸要保證測試板核心區域不小于 1,000×400,mm。一號板輔層信息見表2。

表2 一號板鋪層信息Tab.2 Placement information of No.1 plate

4 層合板制作方法

①真空灌注，加熱和固化保溫時間同生產條件。

②樣條切割尺寸及公差需滿足 ISO 527—4，ISO 14126的要求。

5 試件載荷分析

疲勞試驗樣條為1組 3個試樣，樣品長度600,mm，寬度40,mm。

試件厚度：t＝30×0.86+2×0.59＝26.98,mm；

試件截面積：A＝w×t＝1,079.2,mm2；

極限拉伸載荷：

2.0 ,MW 葉片截面等效疲勞載荷[1]通過 Markov矩陣[2]應用下面公式轉換得到：

葉片截面L1200處彎矩沒有對應的Markov矩陣數據，目前采用L1000處的Markov矩陣數據。由于L1000和L1200截面比較接近，L1000處載荷可以包絡L1200處載荷。經計算二者載荷偏差在2%,以內。

由于是玻璃鋼部件，根據GL2010規范，取m值為10。將L1000截面Markov矩陣轉換得到不同循環次數N時揮舞和擺陣方向的等效疲勞，如表3所示。

表3 2.0,MW葉片等效疲勞載荷Tab.3 Equivalence fatigue loads of 2.0 MW blade

疲勞試驗樣條載荷通過L1000處的彎矩Mxy轉化：

其中：

Mxy：L1000處彎矩；

d：節圓直徑，d＝1.8,m(L1,000處依然看作是圓柱段)；

D：圓柱段外徑，D＝1,895,mm；

n：L1000處所分成的塊數，此處n＝πD/40＝149。

循環次數N＝710時，疲勞載荷彎矩幅值為：

5.1 循環次數N＝107

循環次數N＝710時，應力比R＝-1時，疲勞試驗樣條載荷幅值為：循環次數 N＝710時，應力比 R＝0.1時，應用等損傷原理[3]計算得到疲勞試驗樣條循環載荷為：

疲勞循環載荷最大值：Fmax=49.71,kN；

疲勞循環載荷最小值：Fmin=4.971,kN；

疲勞循環載荷幅值：Fa=22.37,kN；

疲勞循環載荷均值：Fm=27.34,kN。

5.2 循環次數N＝62× 10

循環次數N＝62× 10時，應力比R＝0.1時，應用等損傷原理計算得到疲勞試驗樣條循環載荷為：

疲勞循環載荷最大值：Fmax=57.37,kN；

疲勞循環載荷最小值：Fmin=5.737,kN；

疲勞循環載荷幅值：Fa=25.82,kN；

疲勞循環載荷均值：Fm=31.55,kN。

5.3 循環次數N＝510

循環次數N＝510時，應力比R＝0.1時，應用等損傷原理計算得到疲勞試驗樣條循環載荷為：

疲勞循環載荷最大值：Fmax=74.36,kN；

疲勞循環載荷最小值：Fmin=7.436,kN；

疲勞循環載荷幅值：Fa=33.46,kN；

疲勞循環載荷均值：Fm=40.9,kN。

5.4 循環次數N＝410

循環次數N＝410時，應力比R＝0.1時，應用等損傷原理計算得到疲勞試驗樣條循環載荷為：

疲勞循環載荷最大值：Fmax=90.07,kN；

疲勞循環載荷最小值：Fmin=9.01,kN；

疲勞循環載荷幅值：Fa=40.53,kN；

疲勞循環載荷均值：Fm=49.54,kN。

6 結 語

對于復合材料風電葉片，褶皺高寬比達到 0.1時，葉根位置疲勞強度隨循環次數增加，呈顯著下降趨勢。對于存在褶皺的試驗件，隨著疲勞循環次數的增多，疲勞循環載荷的均值、極值、載荷幅值都明顯降低。■

［1］ Klesnil M，Lukas P. Fatigue of Materials[M]. Amsterdam：Elsevier Scientific Publishing Company，1980.

［2］ 謝里陽. 疲勞過程中材料強化和弱化現象探討[J]. 機械強度，1991(1)：32-35.

［3］ 王德俊. 關于疲勞損傷累積規律復雜性的探討[C]. 全國疲勞損傷理論研討會論文集，1992.

Influences of Wrinkles on Fatigue Resistance of Composite Wind Turbine Blades

WU Yanbo，LIU Hongliang
(Tianjin Dongqi Wind Turbine Blade Engineering CO.，LTD，Tianjin 300480，China)

Wind turbine blade is one of the main parts of wind turbine system. Due to large outline and complicated process，the blade is prone to wrinkles during placement, which will have nonignorable effects on blade performance. If glass fibers are loose，wrinkles will appear and if the fibers deviate 15,°，the strength will reduce by 50%. Once wrinkles appear on the main composite layer, blade fracture will become inevitable. As the converging point of all loads，blade root area is under complicated stresses and is prone to wrinkles. To evaluate influences of wrinkles on fatigue resistance of 2.0 MW composite wind turbine blade, this paper simulates the blade root layering structure. The results showed that the fatigue resistance decreased obviously as cycle times grew when the depth-width ratio of blade root area reached 0.1. For the sample with wrinkles，the average value，extreme value and load amplitude of fatigue cyclic loading decreased sharply as fatigue cycles grew.

composite material；wind turbine blade；wrinkle；fatigue resistance

TM315

A

1006-8945(2015)07-0064-02

2015-07-06