周偉,田曉,張亭,馮艷娜,孫詩茹

(河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院, 河北 保定 071002)

風(fēng)電葉片玻璃鋼復(fù)合材料聲發(fā)射衰減與源定位

周偉,田曉,張亭,馮艷娜,孫詩茹

(河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院, 河北 保定 071002)

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中典型聲發(fā)射源的特征分析和精確定位，以風(fēng)電葉片玻璃纖維增強(qiáng)單向復(fù)合材料和多層復(fù)合材料為研究對(duì)象，采用Φ0.5 mm鉛芯為模擬聲發(fā)射源，探討聲發(fā)射波在復(fù)合材料中的傳播、衰減特性和定位精度.實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：?jiǎn)蜗驈?fù)合材料縱向和橫向的聲發(fā)射傳播與衰減特性明顯不同，縱向聲速大、衰減??；風(fēng)電葉片現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中聲發(fā)射源的精確定位，應(yīng)綜合考慮復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和聲學(xué)特性.

風(fēng)電葉片；復(fù)合材料；聲發(fā)射；衰減；定位

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量高，抗疲勞性能好，廣泛用于制造風(fēng)電葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu).受制造工藝等隨機(jī)因素影響，風(fēng)電葉片難免會(huì)產(chǎn)生纖維斷裂、缺膠和分層等結(jié)構(gòu)缺陷，這些缺陷在實(shí)際靜/動(dòng)載荷、疲勞等條件作用下，將加劇風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)的損傷累積和失穩(wěn)破壞[1].為此，風(fēng)電葉片玻璃鋼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)對(duì)確保風(fēng)電葉片長(zhǎng)期可靠運(yùn)行具有重要作用[2].

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)缺陷敏感，能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可有效反映纖維增強(qiáng)復(fù)合材料損傷失效的過程[3].近年來，國外相關(guān)學(xué)者相繼開展了聲發(fā)射技術(shù)在風(fēng)電葉片的早期損傷預(yù)報(bào)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面的研究[4].國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究處于起步階段，主要包括風(fēng)電葉片裂紋的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)[5]和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的設(shè)想[6].但針對(duì)風(fēng)電葉片玻璃鋼復(fù)合材料聲發(fā)射衰減與定位的研究涉及較少.本文以風(fēng)電葉片單向復(fù)合材料和多層復(fù)合材料為研究對(duì)象，采用Φ0.5 mm鉛芯為模擬聲發(fā)射源，獲取聲發(fā)射波在復(fù)合材料中的傳播、衰減規(guī)律和源定位特性，為風(fēng)電葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)健康監(jiān)測(cè)提供參考依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)所用風(fēng)電葉片單向復(fù)合材料由單向玻璃纖維環(huán)氧預(yù)浸料(牌號(hào)為G15000)在平板模具上鋪設(shè)60層后，烘箱內(nèi)加熱加壓固化獲得，復(fù)合材料層板厚度為6 mm.在風(fēng)電葉片上切割的多層復(fù)合材料試件平均厚度為24 mm.實(shí)驗(yàn)過程中，以Φ0.5 mm鉛芯為模擬聲發(fā)射源，利用AMSY-5全波形聲發(fā)射儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄聲發(fā)射信號(hào).聲發(fā)射監(jiān)測(cè)采用3～4個(gè)100～900 kHz的寬頻帶傳感器，內(nèi)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(hào)采集閥值設(shè)為46 dB.單向復(fù)合材料衰減與聲速測(cè)量時(shí)，4個(gè)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(fā)射源距最近傳感器中心的距離為20 mm.多層復(fù)合材料衰減與聲速測(cè)量時(shí)，3個(gè)傳感器直線排列，間距為60 mm，模擬聲發(fā)射源距最近傳感器中心的距離為20 mm.定位測(cè)量時(shí)，4個(gè)傳感器矩形布置，單向復(fù)合材料間距為100 mm和80 mm，多層復(fù)合材料間距為95 mm和55 mm.聲發(fā)射監(jiān)測(cè)過程中，傳感器與試板之間用凡士林耦合.

2 結(jié)果及討論

2.1單向復(fù)合材料衰減與源定位

風(fēng)電葉片單向復(fù)合材料聲發(fā)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(fā)射源依次到達(dá)4個(gè)傳感器的幅度來獲取.

圖1 單向復(fù)合材料聲發(fā)射幅度衰減

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：3次模擬聲發(fā)射信號(hào)的幅度衰減基本一致，能有效代表單向復(fù)合材料縱向和橫向的聲發(fā)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(fù)合材料聲發(fā)射橫向衰減要明顯高于縱向衰減，這一現(xiàn)象主要源于單向復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特征.風(fēng)電葉片單向復(fù)合材料纖維均縱向排列，聲波在復(fù)合材料中的縱向傳播主要沿纖維方向進(jìn)行，衰減相對(duì)較?。欢貜?fù)合材料橫向，樹脂和纖維交替出現(xiàn)，聲波的傳播遵循樹脂-纖維-樹脂的循環(huán)過程，出現(xiàn)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(dǎo)致復(fù)合材料橫向有較大的聲發(fā)射幅度衰減.

斷鉛模擬聲發(fā)射源到達(dá)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(xiàn)聲發(fā)射波的頻散效應(yīng).依據(jù)聲發(fā)射波到達(dá)各傳感器的時(shí)間差和傳感器間距，可計(jì)算出聲發(fā)射在單向復(fù)合材料中的傳播速度.

通過計(jì)算可得，風(fēng)電葉片單向復(fù)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(fā)射波在單向復(fù)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(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)，彈性模量與密度的比值越高，對(duì)應(yīng)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(fā)射波在玻璃纖維中的傳播速度較大，聲波在復(fù)合材料中的縱向傳播就是沿纖維方向進(jìn)行的.聲發(fā)射波在樹脂基體中的傳播速度相對(duì)較小，且橫向傳播時(shí)，聲波在樹脂與纖維的界面出現(xiàn)多次反射而延長(zhǎng)了聲程，造成較低的橫向傳播聲速.在風(fēng)電葉片聲發(fā)射源定位中予以充分考慮單向復(fù)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(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)健康現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，傳感器一般布置在葉片表面.為獲取聲發(fā)射源的位置，應(yīng)采用聲發(fā)射傳感器陣列來實(shí)現(xiàn)二維平面定位.在已知聲波在風(fēng)電葉片復(fù)合材料中速度的情況下，可依據(jù)聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)各傳感器的時(shí)間差，計(jì)算出聲發(fā)射源的精確位置.本文采用4個(gè)傳感器，取聲速為3 300 m/s，結(jié)合AMSY-5系統(tǒng)得到風(fēng)電葉片單向復(fù)合材料聲發(fā)射源定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 單向復(fù)合材料聲發(fā)射源定位

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：聲發(fā)射定位源基本上能反映出模擬聲發(fā)射源的位置，但也存在著一定的誤差.這是由于單向復(fù)合材料縱向和橫向聲速差別較大，采用單一聲速的時(shí)差定位方法不能有效獲取精確的定位源.在風(fēng)電葉片現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，可根據(jù)風(fēng)電葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用時(shí)差定位和區(qū)域定位綜合分析，來進(jìn)行聲發(fā)射源的定位.

2.2多層復(fù)合材料衰減與源定位

通過模擬聲發(fā)射源依次到達(dá)3個(gè)傳感器的幅度，得到多層復(fù)合材料聲發(fā)射幅度衰減如圖4所示.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：聲發(fā)射信號(hào)幅度衰減為1～1.16 dB/cm，依據(jù)聲發(fā)射波到達(dá)各傳感器的時(shí)間差和傳感器間距，計(jì)算出風(fēng)電葉片多層復(fù)合材料聲速約為4 273 m/s，與單向復(fù)合材料縱向特性相差不大.

依據(jù)4個(gè)傳感器形成矩形陣列，結(jié)合AMSY-5系統(tǒng)基于小波的定位方法，得到風(fēng)電葉片多層復(fù)合材料聲發(fā)射源定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.聲發(fā)射定位源能較好地吻合模擬聲發(fā)射源的位置，越接近中間區(qū)域，定位更為準(zhǔn)確，其定位精度高于單向復(fù)合材料聲發(fā)射源定位.為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片裂紋等典型聲發(fā)射源的精確定位，應(yīng)充分考慮復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性，并通過現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證.

圖4 多層復(fù)合材料聲發(fā)射幅度衰減

圖5 多層復(fù)合材料聲發(fā)射源定位

3 結(jié)論

1)風(fēng)電葉片單向復(fù)合材料聲發(fā)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(fā)射傳感器，幅度最大衰減達(dá)4 dB/cm.為避免幅度過快衰減，在風(fēng)電葉片現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，應(yīng)采用低頻的聲發(fā)射傳感器來進(jìn)行聲發(fā)射源定位.

3)風(fēng)電葉片多層復(fù)合材料聲發(fā)射定位源能較好地吻合模擬聲發(fā)射源的位置，越接近中間區(qū)域，定位更為準(zhǔn)確.

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(責(zé)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(xué)基金資助項(xiàng)目(E2010000297)；河北大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2011070).

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

E-mail:zhouweihy@126.com