王雅瑞，劉 然，呂智慧，李小亭，周 偉，姜炳晨

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

含不同埋深分層損傷復(fù)合材料彎曲破壞聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

王雅瑞，劉 然，呂智慧，李小亭，周 偉，姜炳晨

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

為研究風(fēng)電葉片復(fù)合材料彎曲損傷破壞特性及聲發(fā)射響應(yīng)特征，對(duì)含分層缺陷風(fēng)電葉片復(fù)合材料進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明：缺陷位于近表面時(shí)的撞擊累積總數(shù)和最高聲發(fā)射相對(duì)能量明顯高于缺陷位于中間層時(shí)的對(duì)應(yīng)值。因此缺陷位置對(duì)試件的承載能力有較大影響，隨著分層缺陷距試件表面埋深的減少，試件的承載能力降低，試件破壞程度加劇。分層試件的損傷破壞與對(duì)應(yīng)聲發(fā)射信號(hào)幅度、撞擊累積數(shù)、相對(duì)能量、定位源等特征參量密切相關(guān)。

復(fù)合材料；分層損傷；彎曲破壞；聲發(fā)射

0 引 言

由于風(fēng)電機(jī)組實(shí)際工作環(huán)境惡劣，且風(fēng)電葉片多采用玻璃纖維、碳纖維復(fù)合材料制造，不可避免的分層等損傷缺陷易導(dǎo)致復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)的損傷累積和最終的失穩(wěn)破壞[1]。為此，對(duì)復(fù)合材料損傷演化及其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等方面的研究成為近年來國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。

聲發(fā)射檢測(cè)是一種動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)方法，可對(duì)缺陷萌生、擴(kuò)展情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為缺陷的實(shí)際危害程度評(píng)價(jià)提供了理論依據(jù)[2-4]。Niezrecki C等[2]以9m CX-100風(fēng)電葉片為研究對(duì)象，通過數(shù)字圖像相關(guān)、聲發(fā)射檢測(cè)等方法，檢測(cè)和追蹤缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展過程。Fotouhi M等[5]應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)聚合物基體復(fù)合材料的混合模式進(jìn)行分層研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射技術(shù)可進(jìn)行實(shí)際復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。Alander P等[6]利用聲發(fā)射方法對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試件三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)過程實(shí)施監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)試件的聲發(fā)射活動(dòng)從較低的失效載荷（19%～32%)開始。Degala S等[7-8]還將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于其他碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷破壞的動(dòng)態(tài)過程研究。

但針對(duì)含分層風(fēng)電葉片復(fù)合材料彎曲損傷破壞聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方面的研究涉及較少。本文通過對(duì)含不同埋深分層損傷的復(fù)合材料試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并用聲發(fā)射技術(shù)全程監(jiān)測(cè)其分層損傷的演化過程，研究復(fù)合材料力學(xué)性能及聲發(fā)射響應(yīng)特征，揭示含不同埋深分層損傷復(fù)合材料分層演化規(guī)律，為風(fēng)電葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試件制備

采用玻璃纖維單向布（ECW600-1270，600g/m2)為增強(qiáng)材料，環(huán)氧樹脂（Araldite LY 1564 SP)與固化劑（Aradur 3486)的質(zhì)量比控制在100∶34。復(fù)合材料試件如圖1所示，首先將10層纖維布鋪設(shè)在平板模具上，將寬度為25 mm的聚四氟乙烯薄膜分別放置在試件第1層和第2層的中間位置（A試件)、第5層和第6層的中間位置（B試件)來獲得不同埋深的預(yù)制裂紋。然后經(jīng)過真空灌注、室溫固化48 h，真空干燥箱內(nèi)80℃固化12 h后得到實(shí)際厚度約為3.8mm的復(fù)合材料層合板。最后將層板制成160mm ×25mm的長(zhǎng)條形試件。

1.2 力學(xué)與聲發(fā)射測(cè)試

圖1 復(fù)合材料試樣示意圖

復(fù)合材料試件的四點(diǎn)彎曲加載過程在CMT5305型萬能拉壓試驗(yàn)機(jī)（深圳新三思有限公司)上進(jìn)行。同時(shí)利用AMSY-5全波形聲發(fā)射儀（德國Vallen公司)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集及記錄。加載過程采用位移控制，加載速率設(shè)為2 mm/min，加載至20 mm時(shí)結(jié)束。

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)采用2個(gè)VS150-RIC型號(hào)的傳感器，其頻帶為100～450kHz，內(nèi)置前置放大器增益為34dB，中心頻率為150kHz，采樣頻率為5MHz，門檻設(shè)為40dB。傳感器與試件之間用高真空油脂耦合，并用膠帶將其固定，兩個(gè)傳感器與預(yù)制分層中心線距離均為60mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 含分層缺陷的復(fù)合材料力學(xué)響應(yīng)與破壞特征

兩種復(fù)合材料試件載荷-撓度曲線如圖2所示。在加載結(jié)束時(shí)，A試件載荷為1.29kN，B試件載荷為1.38kN。初始加載階段，A試件的載荷-撓度曲線表現(xiàn)出較好的線性特征。隨著載荷的增加，A試件的預(yù)置分層界面開始破壞，并且出現(xiàn)纖維/基體界面分層擴(kuò)展，導(dǎo)致復(fù)合材料試件的剛度縮減，進(jìn)而出現(xiàn)彎曲載荷的下降。加載結(jié)束時(shí)，分層處向左右兩邊擴(kuò)展，擴(kuò)展位移分別為1cm和0.8cm。與A試件相比，B試件載荷撓度曲線近似直線，表現(xiàn)出良好線性特征，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)未出現(xiàn)明顯的分層擴(kuò)展。

圖2 復(fù)合材料試件載荷-撓度曲線

復(fù)合材料試件的四點(diǎn)彎曲破壞特征如圖3所示，圖中矩形黑框內(nèi)的區(qū)域是預(yù)制分層處。箭頭表示分層擴(kuò)展的方向。A試件在加載過程中伴隨著預(yù)制分層界面開裂、纖維/基體界面開裂及纖維斷裂等破壞形式，并有明顯的損傷擴(kuò)展，損傷主要集中在試件的近表面區(qū)域。B試件在加載過程中沒有明顯的損傷擴(kuò)展，可見，當(dāng)分層缺陷位于界面中心位置時(shí)，其對(duì)界面承載能力影響較小。由此可知，缺陷位置對(duì)試件的承載能力有較大影響，隨著分層缺陷與試件表面距離的減少，試件的承載能力降低。

圖3 復(fù)合材料的破壞特征

2.2 含分層缺陷的復(fù)合材料聲發(fā)射響應(yīng)行為

圖4 聲發(fā)射幅度-撞擊累積-時(shí)間歷程

復(fù)合材料加載過程中的聲發(fā)射信號(hào)撞擊累積-幅度-時(shí)間歷程如圖4所示。根據(jù)聲發(fā)射撞擊累積數(shù)及幅度隨加載時(shí)間的變化情況，可將圖4（a)中A試件加載過程劃分為起始階段、分層界面開裂階段和分層缺陷擴(kuò)展破壞階段3個(gè)階段。在起始階段，有較少的低幅度信號(hào)出現(xiàn)，撞擊累積數(shù)幾乎沒有變化。隨著載荷的增加，聲發(fā)射信號(hào)增多，開始出現(xiàn)幅度50～78dB的聲發(fā)射信號(hào)（對(duì)應(yīng)分層界面開裂)。在分層缺陷擴(kuò)展破壞階段，出現(xiàn)大量幅度為70～90dB的聲發(fā)射信號(hào)，且分層損傷的擴(kuò)展破壞會(huì)導(dǎo)致聲發(fā)射撞擊累積數(shù)呈直線趨勢(shì)迅速增加。由圖4（b)可以看出，由于未出現(xiàn)明顯的分層擴(kuò)展，隨著載荷的增加，B試件撞擊累積數(shù)緩慢增長(zhǎng)，只在最后階段出現(xiàn)部分幅度大于70dB的信號(hào)。在加載至480s之后，撞擊累積上升速度加快，出現(xiàn)高于80dB的聲發(fā)射信號(hào)。這是由于試件在加載作用下開始出現(xiàn)內(nèi)部損傷所致。A試件在分層擴(kuò)展階段的高幅度信號(hào)較多，撞擊累積總數(shù)明顯高于B試件。A試件在預(yù)置分層缺陷開裂及擴(kuò)展破壞階段一直都存在較多的70～90 dB幅值的聲發(fā)射信號(hào)。這是由于預(yù)置分層缺陷加劇了試件的損傷破壞，且分層位置越趨近于近表面，高幅值信號(hào)越多，對(duì)界面的承載能力影響越大。

圖5 復(fù)合材料試件彎曲載荷-聲發(fā)射相對(duì)能量-時(shí)間歷程

復(fù)合材料試件加載過程中的載荷-相對(duì)能量-時(shí)間歷程如圖5所示。從圖5（a)可以看出，A試件在初始加載階段，幾乎沒有聲發(fā)射相對(duì)能量，在預(yù)置分層開裂階段，出現(xiàn)了一個(gè)高能量的聲發(fā)射信號(hào)，相對(duì)能量為8609.98，此時(shí)對(duì)應(yīng)預(yù)制分層的完全開裂。隨載荷增加，試件發(fā)生纖維/基體界面分層擴(kuò)展，聲發(fā)射相對(duì)能量明顯增高，并達(dá)到最大值。從圖5（b)可以看出，B試件在480s之前，聲發(fā)射相對(duì)能量值較小；加載至480 s后，出現(xiàn)較多的相對(duì)能量值為250～1 600的聲發(fā)射信號(hào)；在接近加載結(jié)束時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)能量高達(dá)3829.99的聲發(fā)射信號(hào)。這與圖4（b)在480s之后撞擊累積上升速度加快，出現(xiàn)高于80 dB幅值的聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)應(yīng)。對(duì)比圖5中A試件和B試件，A試件最高聲發(fā)射相對(duì)能量為23 119.90，B試件最高聲發(fā)射相對(duì)能量為3829.99，A試件的最高聲發(fā)射相對(duì)能量明顯大于B試件。與圖4中A試件撞擊累積總數(shù)明顯高于B試件相吻合。可見，隨著分層缺陷與試件表面距離的減少，試件破壞程度加劇，聲發(fā)射信號(hào)的最高相對(duì)能量值較高。

復(fù)合材料試件彎曲破壞過程的聲發(fā)射撞擊信號(hào)定位如圖6所示?？梢钥闯?，復(fù)合材料試件的聲發(fā)射源定位信號(hào)主要分布在中心部位。A試件和B試件源定位信號(hào)與圖3中復(fù)合材料的破壞特征相對(duì)應(yīng)，且A試件的撞擊數(shù)明顯高于B試件。這說明分層缺陷與試件表面距離的減少加劇了復(fù)合材料損傷演化過程。

3 結(jié)束語

圖6 聲發(fā)射撞擊信號(hào)定位圖

1)分層缺陷埋深對(duì)試件的承載能力有較大影響，隨著分層缺陷與試件表面距離的減少，試件的承載能力減小。風(fēng)電葉片復(fù)合材料的缺陷位于近表面時(shí)，加載過程伴隨預(yù)置分層界面開裂、纖維/基體界面開裂及纖維斷裂等破壞形式；缺陷位于中間層時(shí)并沒有發(fā)生明顯的損傷破壞。

2)分層缺陷位于近表面的試件撞擊累積總數(shù)和最高聲發(fā)射相對(duì)能量明顯高于缺陷位于中間層的試件。并且從分層界面開裂階段到分層擴(kuò)展破壞階段一直都存在較多的70～90dB幅值的聲發(fā)射信號(hào)。隨著分層缺陷與試件表面距離的減少，試件破壞程度加劇。

3)在加載過程中，分層試件的損傷破壞與其聲發(fā)射信號(hào)的幅度、撞擊累積數(shù)、相對(duì)能量、定位源等特征參量相關(guān)。聲發(fā)射信號(hào)的特征參量可作為風(fēng)電葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)和健康監(jiān)測(cè)的重要依據(jù)。

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Acoustic emission monitoring of flexural failure for composite materials embedded with delamination in different depth

WANG Yarui，LIU Ran，Lü Zhihui，LI Xiaoting，ZHOU Wei，JIANG Bingchen
（College of Quality and Technical Supervision，Hebei University，Baoding 071002，China）

In order to study the bending damage characteristics and acoustic emission（AE）response behaviors of composite materials for wind turbine blades，four-point bending tests and real-time AE monitoring were conducted for composite materials with delamination embedded in different depths.The results show that the total number of cumulative hits and the maximum values of AE relative energy of the specimen with delamination near its surface are remarkably higher than those in the middle layer.The bearing capacity of the specimen is apparently affected by the location of delamination defects.As the delamination defects are getting closer to the specimen surface in burial depth，the loading capacity of the specimen reduces and the damage failure thereof aggravates.The flexural failure of laminated composite materials is correlated with the characteristic parameterssuch asAE signalamplitude，cumulative hits，relative energy and locating sources.

composite material；delamination；flexural failure；acoustic emission

A

：1674-5124（2015）10-0117-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.026

2015-01-26；

：2015-02-27

國家自然科學(xué)基金（11502064)河北省自然科學(xué)基金（F2015201215)

王雅瑞（1992-)，女，河北廊坊市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閺?fù)合材料聲發(fā)射檢測(cè)。

周 偉（1980-)，男，河南信陽市人，副教授，博士，主要從事復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)力學(xué)及聲學(xué)無損檢測(cè)研究。