風(fēng)電葉片拉擠碳纖維梁與蒙皮富膠強(qiáng)度研究*

文 | 馮學(xué)斌，白會(huì)超，張文偉，鄧航，高康

目前風(fēng)電葉片的制造普遍采用全尺寸的真空灌注成型工藝，并以灌注玻璃纖維為主流。但是隨著功率需求的增加，葉片設(shè)計(jì)越來越長，且由于整機(jī)重量、輪轂尺寸以及葉片生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)纫蛩叵拗疲~根圓環(huán)半徑無法與長度成比例增加，葉片在弦向和厚度尺寸也無法成比例增加。若仍采用相同材料，隨著葉片長度設(shè)計(jì)越來越長，葉片柔性越來越大，材料強(qiáng)度冗余、剛度不足的現(xiàn)象將進(jìn)一步嚴(yán)重。相較于玻璃纖維，碳纖維剛度和強(qiáng)度均有較大的提升，尤其剛度，碳纖維模量可達(dá)到玻璃纖維的3倍以上，其比強(qiáng)度和比模量大大優(yōu)于玻璃纖維。在葉片尺寸達(dá)到一定極限后，碳纖維相較于玻璃纖維優(yōu)勢會(huì)越來越明顯，風(fēng)電行業(yè)內(nèi)80m級(jí)以上葉片出現(xiàn)多款碳纖維葉片設(shè)計(jì)，LM設(shè)計(jì)的107m超長碳纖維葉片，也刷新了人們對(duì)葉片材料設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)。

在材料應(yīng)用上相較于灌注碳纖維布形式，拉擠型碳纖維板材工藝更穩(wěn)定，其纖維含量進(jìn)一步提升，板材模量進(jìn)一步增加，能更好地克服長葉片剛度不足、強(qiáng)度冗余問題。拉擠型碳纖維板材在拉擠預(yù)應(yīng)力下，能更好克服碳纖維原絲蜷曲帶來碳纖維灌注板材性能不穩(wěn)定問題。但是由于應(yīng)用上的不成熟，目前拉擠型碳纖維板材只能做成平面直條形狀。平面直條形狀與葉片外形曲面弧形必然產(chǎn)生縫隙，在與葉片其余部件一起灌注成型時(shí)，拉擠碳纖維梁與蒙皮會(huì)產(chǎn)生富膠缺陷，造成碳纖維梁強(qiáng)度冗余、富膠缺陷先破壞的情況，降低結(jié)構(gòu)整體可靠性。

本文針對(duì)這一情況，灌注含（2、4、6、8、10）mm厚富膠碳纖維梁-蒙皮試樣，在標(biāo)準(zhǔn)MTS機(jī)上利用四點(diǎn)彎曲方法，研究不同富膠厚度下試樣的強(qiáng)度，并建立有限元分析模型，計(jì)算測試載荷下試樣碳板、蒙皮及富膠的應(yīng)變。測試及有限元分析結(jié)果可作為拉擠型碳纖維梁葉片設(shè)計(jì)參考。

測試試樣及方法

一、測試試樣

試樣材料選擇拉擠碳纖維板、雙軸布、三軸布、樹脂。考慮蒙皮較薄，在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，加載壓頭壓在碳板側(cè)，支撐點(diǎn)位于蒙皮富膠側(cè)，支撐位置用玻纖布填充。

試樣長1000mm，寬200mm，拉擠碳板厚10mm，富膠厚2～10mm，蒙皮厚約1.5mm，總厚度約21.5mm。試樣尺寸、實(shí)物及富膠厚度如圖1-圖3所示。

二、測試方法

拉擠碳板與蒙皮富膠試樣強(qiáng)度測試，采用四點(diǎn)彎曲加載測試方法。其中主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)參考ASTM C 393 四點(diǎn)彎曲測試標(biāo)準(zhǔn)，具體加載位置和支撐位置以及應(yīng)變片位置如圖4所示，試樣加載實(shí)物圖如圖5所示。樣件碳板側(cè)為上表面，富膠蒙皮側(cè)為下表面，加載（F）的壓頭壓在上表面碳板側(cè)，支撐位置位于下表面墊布加強(qiáng)區(qū)域。

圖1 測試試樣幾何尺寸

測試結(jié)果及分析

根據(jù)上述測試方法，加載試樣直至樣件達(dá)到極限強(qiáng)度破壞。根據(jù)對(duì)不同富膠樣件破壞形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)于富膠厚度2～8mm試樣，碳板側(cè)先發(fā)生破壞，富膠側(cè)無明顯破壞跡象，如圖6中a、b、c所示。對(duì)于富膠厚度為10mm樣件，富膠側(cè)先破壞，富膠區(qū)域出現(xiàn)多條貫穿性裂紋，碳板側(cè)無明顯破壞跡象，如圖7中a、b、c所示。

測試不同富膠厚度樣件上下表面應(yīng)變，結(jié)果如圖8至圖12所示。

圖2 測試試樣實(shí)物圖

圖3 測試試樣富膠厚度實(shí)物圖

圖4 試樣加載示意圖

由各個(gè)樣件應(yīng)變測試結(jié)果可知，不同富膠厚度樣件破壞時(shí)，上下表面最大應(yīng)變?nèi)绫?所示。

由表1可知，對(duì)于富膠厚度2～8mm試樣，試樣破壞時(shí)，碳板側(cè)拉伸應(yīng)變在8000微應(yīng)變左右，碳板側(cè)先發(fā)生破壞，破壞形式為分層和斷裂；富膠側(cè)拉伸應(yīng)變在10000微應(yīng)變以內(nèi)，未發(fā)生明顯破壞跡象。對(duì)于富膠厚度10mm樣件，富膠側(cè)拉伸應(yīng)變達(dá)到10429微應(yīng)變，富膠側(cè)先發(fā)生破壞，碳板側(cè)未發(fā)生明顯的破壞。隨著富膠厚度的增加，富膠側(cè)拉伸應(yīng)變逐漸增大，厚度達(dá)到10mm時(shí)碳板側(cè)應(yīng)變明顯下降。由于實(shí)驗(yàn)中只能監(jiān)測試樣上、下表面長度方向（11方向）應(yīng)變，無法測試厚度方向的應(yīng)變，不同厚度富膠對(duì)試樣層間性能的影響需要建立有限元模型作進(jìn)一步研究。

圖5 試樣加載實(shí)物圖

圖6 富膠厚2至8mm試樣破壞形式

仿真分析

一、仿真模型

利用abaqus軟件建立試樣的三維有限元模型，如圖13所示。富膠區(qū)域、拉擠碳板、蒙皮以及支撐墊布區(qū)域均采用實(shí)體單元C3D8R，富膠區(qū)域采用各向同性材料，其余區(qū)域采用三維各向異性材料等效工程常數(shù)模擬。坐標(biāo)系1方向?yàn)樵嚇娱L度方向，2方向?yàn)樵嚇訉挾确较颍?方向?yàn)樵嚇雍穸确较颉７謩e建立（2、4、6、8和10）mm厚膠層有限元模型，在實(shí)驗(yàn)載荷與支撐條件下，計(jì)算試樣上下表面1方向拉、壓應(yīng)變以及膠層、碳板3方向拉、壓應(yīng)變與膠層、碳板1、3方向的剪切應(yīng)變。

圖7 富膠厚10mm試樣破壞形式

圖8 富膠厚2mm試樣上下表面應(yīng)變

二、仿真結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)載荷和約束條件下，當(dāng)試樣破壞時(shí)，計(jì)算出不同富膠厚度試樣上下表面的最大拉、壓應(yīng)變，膠層、碳板的層間最大剪切應(yīng)變、拉伸應(yīng)變，如表1所示。

圖9 富膠厚4mm試樣上下表面應(yīng)變

圖10 富膠厚6mm試樣上下表面應(yīng)變

圖11 富膠厚8mm試樣上下表面應(yīng)變

圖12 富膠厚10mm試樣上下表面應(yīng)變

圖13 富膠試樣有限元模型

表1 不同富膠厚度樣件計(jì)算應(yīng)變（με）統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，在測試載荷下，樣件破壞時(shí)，有限元計(jì)算富膠側(cè)與碳板側(cè)拉伸、壓縮應(yīng)變與測試值水平基本一致，相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。隨著富膠厚度增加，碳板與富膠的厚度方向拉、壓應(yīng)變，以及彎曲引起的1、3方向剪切應(yīng)變相應(yīng)增加，表明富膠厚度增加引起試樣層間性能下降，富膠區(qū)域尤其明顯。驗(yàn)證了上文中當(dāng)富膠厚度增加至10mm，富膠側(cè)拉伸應(yīng)變未達(dá)到富膠本身斷裂應(yīng)變、富膠側(cè)即發(fā)生破壞的結(jié)果。可推測當(dāng)富膠厚度增加到一定程度，富膠區(qū)域出現(xiàn)的貫穿性裂紋是由拉伸與層間剪切綜合作用導(dǎo)致的。

結(jié)論

在風(fēng)電葉片復(fù)合材料應(yīng)用時(shí)，富膠被視為一種缺陷，尤其在應(yīng)用拉擠碳纖維梁時(shí)，由于拉擠碳纖維板的平面直條特性與葉片外形曲面弧形特性的差異，不可避免帶來較多的富膠區(qū)域。本文研究了不同富膠厚度對(duì)試樣拉伸、壓縮及層間強(qiáng)度的影響，但不同于本文試樣中富膠的規(guī)則形狀，風(fēng)電葉片實(shí)際應(yīng)用中，拉擠碳纖維梁與蒙皮富膠形狀較為復(fù)雜，尤其不同厚度和形狀的富膠對(duì)試樣的疲勞性能還需要進(jìn)一步研究。

從測試及有限元分析結(jié)果可得出規(guī)律和結(jié)論：（1）對(duì)于富膠厚度2～8mm試樣，碳板側(cè)先發(fā)生破壞，破壞形式為碳板分層和斷裂，富膠側(cè)未發(fā)生明顯破壞跡象；（2）對(duì)于富膠厚度10mm試樣，富膠側(cè)先發(fā)生破壞，沿試樣寬度方向，富膠區(qū)域發(fā)生多條貫穿性裂紋，碳板側(cè)未發(fā)生明顯破壞跡象；（3）有限元計(jì)算富膠側(cè)與碳板側(cè)拉伸、壓縮應(yīng)變與測試值水平基本一致，相對(duì)誤差在5%以內(nèi)；（4）隨著富膠厚度增加，測試和有限元計(jì)算結(jié)果表明，富膠側(cè)拉伸應(yīng)變均增加；（5）隨著富膠厚度增加，有限元計(jì)算結(jié)果表明，富膠和碳板區(qū)域厚度方向應(yīng)變，以及彎曲變形帶來的剪切應(yīng)變均明顯增加，可推測由于富膠增加導(dǎo)致試樣層間性能降低。