含不同埋深分層損傷復合材料彎曲破壞聲發射監測

王雅瑞，劉 然，呂智慧，李小亭，周 偉，姜炳晨

（河北大學質量技術監督學院，河北 保定 071002）

含不同埋深分層損傷復合材料彎曲破壞聲發射監測

王雅瑞，劉 然，呂智慧，李小亭，周 偉，姜炳晨

（河北大學質量技術監督學院，河北 保定 071002）

為研究風電葉片復合材料彎曲損傷破壞特性及聲發射響應特征，對含分層缺陷風電葉片復合材料進行四點彎曲試驗，并用聲發射技術進行實時監測。結果表明：缺陷位于近表面時的撞擊累積總數和最高聲發射相對能量明顯高于缺陷位于中間層時的對應值。因此缺陷位置對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應聲發射信號幅度、撞擊累積數、相對能量、定位源等特征參量密切相關。

復合材料；分層損傷；彎曲破壞；聲發射

0 引 言

由于風電機組實際工作環境惡劣，且風電葉片多采用玻璃纖維、碳纖維復合材料制造，不可避免的分層等損傷缺陷易導致復合材料整體結構的損傷累積和最終的失穩破壞[1]。為此，對復合材料損傷演化及其結構健康監測等方面的研究成為近年來國內外學者關注的熱點。

聲發射檢測是一種動態無損檢測方法，可對缺陷萌生、擴展情況進行實時監測，為缺陷的實際危害程度評價提供了理論依據[2-4]。Niezrecki C等[2]以9m CX-100風電葉片為研究對象，通過數字圖像相關、聲發射檢測等方法，檢測和追蹤缺陷的產生和擴展過程。Fotouhi M等[5]應用聲發射技術對聚合物基體復合材料的混合模式進行分層研究，結果發現聲發射技術可進行實際復合材料結構的健康監測。Alander P等[6]利用聲發射方法對纖維增強復合材料試件三點彎曲實驗過程實施監測，發現試件的聲發射活動從較低的失效載荷（19%～32%)開始。Degala S等[7-8]還將聲發射技術應用于其他碳纖維增強復合材料結構損傷破壞的動態過程研究。

但針對含分層風電葉片復合材料彎曲損傷破壞聲發射監測方面的研究涉及較少。本文通過對含不同埋深分層損傷的復合材料試件進行四點彎曲試驗，并用聲發射技術全程監測其分層損傷的演化過程，研究復合材料力學性能及聲發射響應特征，揭示含不同埋深分層損傷復合材料分層演化規律，為風電葉片復合材料結構的健康監測提供依據。

1 實驗部分

1.1 試件制備

采用玻璃纖維單向布（ECW600-1270，600g/m2)為增強材料，環氧樹脂（Araldite LY 1564 SP)與固化劑（Aradur 3486)的質量比控制在100∶34。復合材料試件如圖1所示，首先將10層纖維布鋪設在平板模具上，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制裂紋。然后經過真空灌注、室溫固化48 h，真空干燥箱內80℃固化12 h后得到實際厚度約為3.8mm的復合材料層合板。最后將層板制成160mm ×25mm的長條形試件。

1.2 力學與聲發射測試

圖1 復合材料試樣示意圖

復合材料試件的四點彎曲加載過程在CMT5305型萬能拉壓試驗機（深圳新三思有限公司)上進行。同時利用AMSY-5全波形聲發射儀（德國Vallen公司)對聲發射信號進行采集及記錄。加載過程采用位移控制，加載速率設為2 mm/min，加載至20 mm時結束。

聲發射監測采用2個VS150-RIC型號的傳感器，其頻帶為100～450kHz，內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，兩個傳感器與預制分層中心線距離均為60mm。

2 結果與討論

2.1 含分層缺陷的復合材料力學響應與破壞特征

兩種復合材料試件載荷-撓度曲線如圖2所示。在加載結束時，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-撓度曲線表現出較好的線性特征。隨著載荷的增加，A試件的預置分層界面開始破壞，并且出現纖維/基體界面分層擴展，導致復合材料試件的剛度縮減，進而出現彎曲載荷的下降。加載結束時，分層處向左右兩邊擴展，擴展位移分別為1cm和0.8cm。與A試件相比，B試件載荷撓度曲線近似直線，表現出良好線性特征，實驗結束時未出現明顯的分層擴展。

圖2 復合材料試件載荷-撓度曲線

復合材料試件的四點彎曲破壞特征如圖3所示，圖中矩形黑框內的區域是預制分層處。箭頭表示分層擴展的方向。A試件在加載過程中伴隨著預制分層界面開裂、纖維/基體界面開裂及纖維斷裂等破壞形式，并有明顯的損傷擴展，損傷主要集中在試件的近表面區域。B試件在加載過程中沒有明顯的損傷擴展，可見，當分層缺陷位于界面中心位置時，其對界面承載能力影響較小。由此可知，缺陷位置對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 復合材料的破壞特征

2.2 含分層缺陷的復合材料聲發射響應行為

圖4 聲發射幅度-撞擊累積-時間歷程

復合材料加載過程中的聲發射信號撞擊累積-幅度-時間歷程如圖4所示。根據聲發射撞擊累積數及幅度隨加載時間的變化情況，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展破壞階段3個階段。在起始階段，有較少的低幅度信號出現，撞擊累積數幾乎沒有變化。隨著載荷的增加，聲發射信號增多，開始出現幅度50～78dB的聲發射信號（對應分層界面開裂)。在分層缺陷擴展破壞階段，出現大量幅度為70～90dB的聲發射信號，且分層損傷的擴展破壞會導致聲發射撞擊累積數呈直線趨勢迅速增加。由圖4（b)可以看出，由于未出現明顯的分層擴展，隨著載荷的增加，B試件撞擊累積數緩慢增長，只在最后階段出現部分幅度大于70dB的信號。在加載至480s之后，撞擊累積上升速度加快，出現高于80dB的聲發射信號。這是由于試件在加載作用下開始出現內部損傷所致。A試件在分層擴展階段的高幅度信號較多，撞擊累積總數明顯高于B試件。A試件在預置分層缺陷開裂及擴展破壞階段一直都存在較多的70～90 dB幅值的聲發射信號。這是由于預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，高幅值信號越多，對界面的承載能力影響越大。

圖5 復合材料試件彎曲載荷-聲發射相對能量-時間歷程

復合材料試件加載過程中的載荷-相對能量-時間歷程如圖5所示。從圖5（a)可以看出，A試件在初始加載階段，幾乎沒有聲發射相對能量，在預置分層開裂階段，出現了一個高能量的聲發射信號，相對能量為8609.98，此時對應預制分層的完全開裂。隨載荷增加，試件發生纖維/基體界面分層擴展，聲發射相對能量明顯增高，并達到最大值。從圖5（b)可以看出，B試件在480s之前，聲發射相對能量值較?。患虞d至480 s后，出現較多的相對能量值為250～1 600的聲發射信號；在接近加載結束時出現了一個相對能量高達3829.99的聲發射信號。這與圖4（b)在480s之后撞擊累積上升速度加快，出現高于80 dB幅值的聲發射信號相對應。對比圖5中A試件和B試件，A試件最高聲發射相對能量為23 119.90，B試件最高聲發射相對能量為3829.99，A試件的最高聲發射相對能量明顯大于B試件。與圖4中A試件撞擊累積總數明顯高于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，聲發射信號的最高相對能量值較高。

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

3 結束語

圖6 聲發射撞擊信號定位圖

1)分層缺陷埋深對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。風電葉片復合材料的缺陷位于近表面時，加載過程伴隨預置分層界面開裂、纖維/基體界面開裂及纖維斷裂等破壞形式；缺陷位于中間層時并沒有發生明顯的損傷破壞。

2)分層缺陷位于近表面的試件撞擊累積總數和最高聲發射相對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展破壞階段一直都存在較多的70～90dB幅值的聲發射信號。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射信號的幅度、撞擊累積數、相對能量、定位源等特征參量相關。聲發射信號的特征參量可作為風電葉片復合材料結構安全評價和健康監測的重要依據。

[1]Galappaththi U I K，De Silva A K M，Macdonald M，et al.Review of inspection and quality control tech niques for composite wind turbine blades[J].Insight，2012，54（2)：82-85.

[2]Niezrecki C，Avitabile P，Chen J，et al.Inspection and monitoring of wind turbine blade-embedded wave defects during fatigue testing[J].Structural Health Monitoring，2014，13（6)：629-643.

[3]李亞娟，周偉，劉然，等.風電葉片復合材料層間開裂聲發射監測[J].河北大學學報，2014，34（2)：219-224.

[4]王兵，劉延雷，李偉忠，等.碳纖維復合材料彎曲損傷的聲發射試驗研究[J].中國石油與化工標準與質量，2013，6（上)：30-31.

[5]Fotouhi M，Najafabadi M A.Investigation of the mixedmode delamination in polymer-matrix composites using acousticemission technique[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites，2014，33（19)：1767-1782.

[6]Alander P，Lassila L V，Tezvergil A，et al.Acoustic emission analysis of fiber-reinforced composite in flexural testing[J].Dental Materials，2004，20（4)：305-312.

[7]Degala S，Rizzo P，Ramanathan K，et al.Acoustic emission monitoring of CFRP reinforced concrete slabs[J]. Construction and Building Materials，2009，23（5)：2016-2026.

[8]Yun H D，Choi W C，Seo S Y.Acoustic emission activities and damage evaluation of reinforced concrete beams strengthened with CFRP sheets[J].NDT&E International，2010，43（4)：615-628.

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

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

王雅瑞（1992-)，女，河北廊坊市人，碩士研究生，專業方向為復合材料聲發射檢測。

周 偉（1980-)，男，河南信陽市人，副教授，博士，主要從事復合材料實驗力學及聲學無損檢測研究。