風力機葉片主梁材料缺陷演化研究

李 菲，周 勃，張亞楠，杜金堯，陳長征

(1.沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870；2. 沈陽工業大學建筑與工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 前言

當前能源危機愈演愈烈，綠色、潔凈、可再生的風能逐漸凸出其巨大的優勢。風力發電已經成為我國風能綜合利用的主要形式之一，葉片是大型風力機組中捕獲大量風能最直接核心的重要部件，風力機組葉片的主梁結構是整個大型風力機組的葉片主要具有承載力的結構[1]。由于主梁受材料制造和生產工藝等隨機因素的直接影響，主梁在實際生產使用過程中常?？赡軙瑫r出現大量氣泡、纖維的斷裂、分層、褶皺等外觀缺陷，給中國風電開發機組的安全性和運行系統帶來嚴重的安全威脅[2-4]。因此，對大型風力機組的葉片機組主梁結構缺陷進行演化狀態分析監測是進行風力機機組葉片主梁狀態演化監測和風機可靠性演化分析的重要前提條件保證。

聲發射技術作為一種動態的無損檢測技術，通過自動接收和檢測分析材料在各種缺陷的初始萌發和擴展過程中釋放出的能量而產生瞬態應力和聲波作為其聲源進行激勵[5]。葉片主梁材料在受力檢測過程中可能會出現承受基體基層開裂、界面基層脫粘、纖維斷裂、分層及受測周圍環境等復雜因素的影響，所檢測得到的平穩含噪噪聲信號為非平穩含噪信號。該信號較為復雜并且互相之間混疊，傳統的聲發射信號參量分析難以準確地被識別[6]。小波分析以其自動可適應地對聲發射信號多時域分辨率進行分解的技術優勢，使各種動態的聲發射信號特征能夠在不同空間內合理進行分離，從而實現可在不同時域和頻域同時表征多個信號特征，為風電葉片復合材料聲發射信號源進行特征分析及信號識別提供更準確的信號處理技術手段[7]。針對小波分析對大型風力機組的葉片缺陷的深入研究，饒金根[8]和Zhao[9]分別采用小波包法提取了聲發射信號各頻段的能量特征，并通過支持向量機對風力葉片損傷的模式特征進行了有效分析識別。ChristianUGrosse[10]對單聲發射信號運用離散小波變換技術進行七尺度小波分解并進行去噪。GangQi[11]對復合材料拉伸破壞的典型聲發射信號進行十一尺度分解，并對其信號進行模式識別。目前，國內外針對于主梁復合材料的分層缺陷聲發射研究較少。

本文主要針對主梁復合材料的層合板易產生的分層缺陷，設計并制造了一種有分層缺陷的主梁復合材料標準試件。通過對主梁復合材料拉伸破壞實驗，同時采用聲發射技術進行監測加載破壞過程，并利用小波分析對其聲發射信號進行分析處理，以實現主梁缺陷演化特征識別與缺陷分析。

1 小波分析理論

1.1 小波及小波包分析

(1)

式中，ψ(t)稱為一個基本小波或者母小波。對滿足式(1)的母小波ψ(t)作伸縮和平移后，就可以得到一個滿足式(2)的小波序列。

(2)

式中，a為伸縮(尺度)因子，反映函數的寬度；b為平移因子，用來監測小波函數在t軸上的平移位置。

對于f(t)∈L2(R)，其小波變換定義為信號與小波基函數的內積，即

(3)

小波包分解是小波分析方法的一種，離散化后的小波包基形如

(4)

式中，k表示尺度；j表示時間位移；n表示振蕩參數；un(2k-j)表示尺度為k中心在2-kj的小波函數。

本文選用dB4小波采集的AE信號做3層小波包分解，并進行第3層系數重構，計算各葉子能量占比，繪制小波功率譜圖，比較各典型信號的特征差異。

2 試驗方法

2.1 主梁材料試件制備

實驗過程根據GB/T1447-2005纖維增強塑料拉伸性能實驗進行設計。以無堿玻璃纖維布為增強材料，環氧樹脂基體和固化劑質量比為10034。將纖維布按照[45/0-5/90]4 s鋪設方式鋪放到平板模具上，根據實驗方案要求，在試件制造過程中的第八層和第九層之間放入厚度為0.3 mm、長為20 mm、寬30 mm的聚四氟乙烯薄膜，利用聚四氟乙烯與樹脂基體很難發生黏連的性質人為地預制分層缺陷。試件的幾何形狀和尺寸如圖1所示。

圖1 試件尺寸示意圖

2.2 實驗裝置

根據實驗要求本文對主梁材料拉伸實驗采用0.05 mm/s的加載速度進行位移控制對試件進行拉伸加載。在試件加載過程中，使用聲發射儀獲取試件損傷的聲發射信號，在試件中間位置安裝聲發射傳感器，傳感器與試件之間利用膠帶固定傳感器，凡士林作為耦合劑。采用美國物理聲學公司(PAC)的聲發射檢測系統R15型壓電陶瓷傳感器，經試驗確定40 dB的門檻值可以屏蔽外界噪聲干擾，采樣頻率為3 MHz，實驗裝置如圖2所示。

圖2 實驗裝置

2.3 試驗結果分析

實驗過程中可以發現，玻璃纖維/環氧樹脂復合材料具有較好的力學性能，整個缺陷演化過程大致分為三個階段：

(1)初始階段，無論是從計數、能量還是峰值頻率變化趨勢都能清晰地反應出該階段以彈性應變能為主。

(2)穩態擴展階段，該階段蘊藏大量的演化特征信息，聲發射計數表現活躍，該階段可作為材料缺陷演化成宏觀損傷的孕育階段。

(3)失穩擴展階段，聲發射計數迅猛累積，能量急劇增長，持續時間增長，試樣短時間內斷裂。

3 缺陷演化分析

對小波包分解系數進行重構，提取各頻帶范圍的信號。以S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7分別表示小波分解系數由低頻到高頻的重構信號。本文以小波包三層分解為例，對第三層的所有節點進行分析，則總信號S可以表示為

S=S0+S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7

采用“dB4”小波對試件A1和試件A2加載破壞中的聲發射信號進行小波分析重構，得到同一時段的兩個試件各級能量系數如圖3所示。

圖3 小波分解能量系數分布

對加載破壞所采集的聲發射信號，利用小波包能量譜特征量的提取方法計算出各個頻段的能量，樹脂破壞時，信號的能量大部分分布在低頻段(頻段2)；當纖維斷裂時，信號的能量大部分分布在高頻段(頻段7)，由此表明當主梁損傷時的信號特征在高頻段表現明顯，同時與實際情況下纖維破壞較樹脂破壞所需要載荷大釋放出的能量多相吻合。小波能量譜能識別整個波形參數中某一種特征是否為主導地位。在200 s、500 s、1 200 s時，損傷階段的各損傷模式的能量大小是不同的，由此可以根據高能量損傷模式所占據的主導地位分辨出有效區當前的損傷狀態。

如圖4、圖5所示，通過對兩個階段產生的聲發射信號小波處理后的功率譜分析可知，前后的聲發射信號存在明顯的差異，損傷過程中產生的聲發射信號頻率集中在50～400 kHz之間。由于基體樹脂強度較低，開裂時產生的信號幅值較小并且持續的時間最短，信號的峰值頻率主要出現在50 kHz附近，頻率最低；纖維剝離是一個持續性過程，從波形上看，信號持續時間最長達到1 ms，頻率范圍也較寬，幅值衰減緩慢且規律性較強，這主要是因為此階段材料內部損傷加劇且持續，纖維與樹脂之間產生大量的破壞。從信號的頻譜可以看出，抽絲過程中伴隨著界面分層現象，信號的峰值頻率出現在100～150 kHz間；纖維斷裂信號幅值較高，信號的峰值頻率出現在400 kHz附近，并且峰值較明顯；試件在最終斷裂時，由于大量纖維和樹脂集中斷裂，釋放出大量能量，出現連續型突發信號，信號的幅值最高，峰值頻率可達到200～400 kHz。

圖4 試件A1的小波分解功率譜

圖5 試件A2的小波分解功率譜

4 結論

(1)風力機葉片主梁聲發射信號主要分布在50～400 kHz的頻帶范圍內。而且，隨著加載的進行，聲發射信號的主頻有由中高頻段向低頻段發展的趨勢，同時發現隨著加載的進行，平均主頻也有向低頻段發展的趨勢。

(2)風力機葉片主梁損傷產生的信號為突發型信號，存在基體開裂、纖維剝離、界面分層、纖維斷裂4種典型信號，其波形及頻譜區分度較高，存在不同的峰值頻率范圍。工程應用中，對風力機葉片監測到的聲發射信號進行收集，利用小波分析等信號處理方式，可以清晰了解其損傷演化，因此這種方法對于工程實際的葉片運行狀態監測具有借鑒意義。交叉型肋板比豎直型肋板動態特性更佳。