風力發電葉片芯材間隙對夾心結構性能的影響

劉龍龍，李文斌，王艷麗，顧育慧，李軍向

(天津明陽風能葉片技術有限公司 檢測中心，天津 300450)

減輕結構重量、提高結構的載荷質量效率是輕質結構發展的永恒主題。隨著航空、船舶、風電等技術領域的不斷發展，新型復合材料由于重量輕、強度高的特點受到廣泛重視，其中泡沫夾層復合材料得到了廣泛使用[1-2]。夾芯結構是輕量化結構中的重要組成部分[3-5]，泡沫夾心能夠增加結構厚度，提高抗彎剛度，纖維增強面板能夠提高結構強度[6-7]，芯材拼接時之間形成的縫隙和空間叫做芯材間隙，目前葉片實際生產中往往會遇到泡沫單元間縫隙過大的情況，主要是因為現在葉片殼體都是拼接的結構，拼接塊之間間隙很難控制，并隨著葉片型號越來越大，往往會出現間隙過大的情況。間隙過大不僅會增加樹脂用量和生產成本，而且會對泡沫夾心復合材料的力學性能造成不同程度的影響。本文以探究不同芯材間隙對風力發電機組的影響為目的，為設計和生產奠定基礎[8]。

1 試驗部分

1.1 樣品制備

1.1.1 材料

材料如下：9塊規格為500 mm×500 mm×25 mm的思瑞安PVC(60 kg/m3)打孔切縫輪廓板(按照30 mm×30 mm規格均勻切縫，按照20 mm×20 mm規格打孔，孔徑為2 mm)、30 m幅寬1 270 mm的恒石三軸3AX1215(0°，±45°)玻纖布、50 kg惠柏環氧樹脂(LT-5078A-3/LT-5078B-3)、脫模劑、脫模布、真空袋、導流網、VAP膜、密封膠條、噴膠等。

1.1.2 儀器設備和工具

儀器設備和工具如下：模具臺(能控溫加熱且表面平整)、真空泵(帶有保壓罐和真空表)、剪刀、鋼板尺、裁布工裝、測溫槍、記號筆、美紋紙等。

1.1.3 樣品制備過程描述

1)2 mm、5 mm和7 mm間隙吸膠量[9]的平壓測試和剪切測試樣品制備過程如下。

a. 2 mm間隙樣品是取上述規格的PVC輪廓板，上下分別鋪脫模布、導流網等輔材，在輪廓板上放置一個經脫模劑處理的塑料板，打袋并保壓后注入按質量比100∶30混合均勻的環氧樹脂，再經預固化和后固化得到吸膠后2 mm間隙輪廓板(吸膠后5 mm和7 mm間隙輪廓板也是相同的方法制得，只需從正常板材取下小PVC泡沫塊后按照不同芯材間隙整齊排布)。

b.吸膠量是按照各規格間隙輪廓板吸膠后的面密度與注膠前的面密度做差計算得到。

c.平壓測試試樣按照標準尺寸，長100 mm×寬100 mm×厚25 mm，用切割機切割制得。

d.剪切測試試樣按照標準尺寸，長250 mm×寬50 mm×厚25 mm，用切割機切割制得。

e.用測溫槍測2 mm、5 mm和7 mm間隙輪廓板吸膠后的放熱峰。

2)2 mm、5 mm和7 mm間隙剝離測試樣品制備過程如下。

a. 2 mm間隙樣品是取上述規格的PVC輪廓板，用鋼板尺在芯材正面距離一個邊長100 mm、200 mm、400 mm分別畫平行線并在距邊長100和200 mm之間的區域貼上透明膠帶且完全覆蓋，然后按照[0°，±45°]2 [輪廓板] [±45°，0°]4鋪層，剝離面鋪2層玻纖布，上下分別鋪脫模布、導流網等輔材，打袋后注入按比例混合均勻的環氧樹脂，經預固化和后固化得到吸膠后2 mm間隙輪廓板夾心剝離測試板材(吸膠后5 mm和7 mm間隙輪廓板夾心剝離測試板也是相同的方法制得)。

b.剝離測試試樣按照標準尺寸，長300 mm×寬50 mm×厚30 mm，用切割機切割制得，剝離測試試樣制備過程如圖1所示。

a) 清理模具

b) 鋪層

c) 抽真空

d) 保壓

e) 灌注

f) 起模及后固化

g) 切割

h) 粘接夾具圖1 剝離測試試樣制備過程

3)2 mm、5 mm和7 mm間隙四點彎曲性能測試樣品制備過程如下。

a. 2 mm間隙樣品是取上述規格的PVC輪廓板，然后按照[0°，±45°]4 [輪廓板] [±45°，0°]4鋪層、打袋、抽真空、灌注樹脂，經預固化和后固化得到吸膠后2 mm間隙輪廓板四點彎曲性能測試板材(吸膠后5 mm和7 mm間隙殼體四點彎曲性能測試板材也是相同的方法制得，只是芯材間隙不同)。

b. 四點彎曲性能測試是按照標準尺寸，長270 mm×寬50 mm×厚31 mm，用切割機切割制得。

1.2 測試方法

測試方法參照相應標準(見表1)。

表1 試驗項目及標準

1.3 測試過程

1.3.1 平壓測試過程

1)狀態調節：在環境溫度(23±2) ℃、環境濕度50%±10%下至少調節24 h。

2)試樣環境：應在(23±2) ℃、環境濕度50%±10%下進行試驗。

3)試樣尺寸：用記號筆對試樣進行編號，試樣厚度應為25 mm，使用時應帶有模塑表皮的制品，其試樣應取整個制品的厚度，但厚度最小為10 mm，最大不得超過試樣的寬度或直徑。

試樣的寬度為(100±1) mm，長度為(100±1) mm，試樣兩平面的平行度誤差應≤1%。

4)預應力：試樣在試驗前應受到一個預應力，預應力不應大于試樣破壞載荷的5%。

5)形變裝置安裝：百千分表安裝，應在平衡預應力后，將2個百千分表安放在既可測出平壓芯材厚度變化又不會損傷百千表的位置上，用手按壓百千分表的伸縮腳確定變形方向。

6)試驗速度：試驗速度為5 mm/min(或速度取試樣厚度的10%)。

7)試樣數量：如果沒有特殊要求，測試一般為6個有效數據。

1.3.2 剪切測試過程

1)狀態調節：在環境溫度(23±2) ℃、環境濕度50%±10%下調節不少于16 h。

2)試樣環境：應在環境溫度(23±2) ℃、環境濕度50%±10%下進行試驗。

4)試樣制備：首先用80或120目砂紙對剪切夾具所用到的粘接面(2個面)進行完全打磨處理，必要時應使用美紋紙對夾具螺釘孔進行封堵，然后用蘸有酒精的擦試紙對粘接面進行清理至完全潔凈，用合適的膠粘劑對剪切測試試樣和夾具粘接面進行涂抹，調整到合適位置后用G形夾進行固定處理，最后擦去多余的膠粘劑，按照要求對粘接后試樣進行固化處理，待冷卻至室溫后粘接好的剪切測試試樣制備完成。

為保證剪切的2個剛性支承架是平行的，制樣粘接完成后，用G形夾夾持之前放置在水平桌面上，用手用力按壓支承架，使緊貼桌面那面的支承架完全貼在桌面上。

5)試驗速度：把粘接好試樣的金屬支架連接到試驗機的夾具上，以1 mm/min的速度對試樣施加載荷，速度偏差應≤10%。

6)安裝千分表：注意千分表的讀數方向是否正確，若不正確需要做反向處理。

7)數據的記錄：記錄力-位移曲線。試樣測試有效數據沒有特殊說明均是6個，正常有效破壞時芯材內部完全破壞，其他形式破壞均為非正常破壞。

8)最后對所測試的試樣進行拍照并保存，整理完試樣和衛生后，試驗結束。

1.3.3 剝離測試過程

1)狀態調節：在環境溫度(23±2) ℃、環境濕度50%±5%下調節24 h。

2)試樣環境：應在(23±2) ℃、環境濕度50%±5%下進行試驗。

3)試樣尺寸：在夾心板材試樣中，試樣前100 mm應制作成不粘接芯材的試樣，具體方法可以通過粘接透明膠帶、薄塑料紙等方法控制夾層板不粘接芯材，試樣剝離的有效距離為100 mm，因此試樣的尺寸為長300 mm、寬50 mm，測量試樣剝離實際長度，結果精確到1 mm，測量試樣的寬度時，結果精確到0.02 mm。

4)夾持與夾具：剝離夾具通過粘接膠和試驗粘接在一起，等粘接膠完全固化之后，進行剝離測試試驗。試驗時，剝離夾具應與試驗機結合成一種與流行鉚釘粘接的形式進行試驗(見圖2)。

a) 剝離測試

b) 測試后圖片圖2 5 mm間隙PVC輪廓板剝離測試以及測試后圖片

5)預應力：試樣在試驗前應處于基本不受力狀態，以便能測試試樣剝離的最大力。

6)試驗速度：試驗速度為100 mm/min。

7)數據記錄：記錄試驗過程中試樣承受的負荷及與撓度之間的曲線，并繪制和計算載荷撓度曲線的面積，得到試樣的剝離能。

8)數據處理：應用origin軟件計算剝離面積時，應注意在Use End Points Straight line as Baseline方框中畫“(”，以便計算準確的剝離面積。

9)最后對所測試的試樣進行拍照并保存，并保留試驗過程中重要的照片，整理完試樣和衛生后，試驗結束。

1.3.4 四點彎曲性能測試[10]過程

1)狀態調節：在環境溫度(23±2) ℃、環境濕度50%±5%下調節24 h。

2)試樣環境：應在(23±2) ℃、環境濕度50%±5%下進行試驗。

3)試樣尺寸：長270 mm×寬50 mm×厚31 mm的試樣尺寸，按照一個方向進行切割制樣，分別測量并記錄每根試樣厚度、面板厚度以及芯子厚度，并在測試前輸入測試軟件中。

4)測試裝置按照非標尺寸，四點彎曲中的三分之一點加載方式進行測試，加載構型如圖3所示，四點彎曲性能測試試驗如圖4所示。

圖3 加載構型

圖4 四點彎曲性能測試試驗

5)預應力：試樣在試驗前應處于基本不受力狀態。

6)試驗速度：試驗速度為6 mm/min。

7)數據記錄：記錄試驗過程中試樣承受的負荷和位移以及相應的變化。

8)數據處理和整理。

9)最后對所測的試樣進行拍照并保存，并保留試驗過程中重要的照片，整理完試樣和衛生后，試驗結束。

1.4 測試數據匯總

測試數據匯總見表2。

表2 測試數據匯總

2 結果分析

綜上可知，除了吸膠量和剝離的影響是不利的，其他靜態性能都是上升的，如平壓強度和模量、剪切強度和模量等，具體分析如下。

1)殼體的吸膠量隨芯材間隙的增大而增大；如果加上Balsa的用量，隨著葉片越來越大，所用芯材更多，如果合理控制芯材間隙，每支葉片(以明陽目前的主力葉型MYSE76.6-5.5MW為例，內部用到的芯材約有600多m2)能夠減少幾百公斤樹脂的用量；間隙控制不好，葉片的質量偏差就很大，給葉片配重帶來不必要的麻煩。另外，吸膠量過大，整機重量增加，對整機的運行不利，嚴重的可導致螺栓斷裂，甚至造成風機倒塌。

2)泡沫吸膠后剝離強度剛開始與芯材間隙大小成正比，但增大到一定值后剝離強度反而下降，剝離強度先增大的原因是樹脂所占比例增加，單位剝離能增加，但當樹脂含量過高時，輪廓板整體放熱峰會升高，輪廓板剛度增大柔韌性降低，純PVC泡沫的耐溫性一般為105 ℃，放熱峰過高會使泡沫原先力學性能下降，造成FRP與泡沫界面變弱，再加上間隙過大樹脂剛度增大，導致單位剝離能下降。

3)靜態性能上升的原因分析：環氧樹脂澆注體的強度約為65 MPa，模量約為3 000 MPa；泡沫的強度一般約為1 MPa，模量約為50 MPa，所以隨著樹脂量的增加，靜態性能會有所提升。

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)在葉片實際生產中，可通過有意識地控制芯材拼接縫的尺寸，芯材間隙太大就會增加灌注樹脂的用量，造成葉片整體重量增加，對整個風機的重量和風能的有效利用率會造成不利影響。

2)通過對葉片殼體芯材間隙的研究可知，通過合理地調節芯材和樹脂占比，在滿足葉片力學性能的前提下，可達到對葉片減重的目的，對復合材料的設計有指導價值。

3)葉片芯材間隙太大會造成樹脂的積膠，樹脂固化放熱會燒壞泡沫，出現發黑現象，進而影響復合材料整體力學性能，故應當控制芯材間隙的尺寸，對實際生產有指導作用。