風電葉片玻璃纖維布的疲勞性能實驗研究

常軍委，吳彥波，宋 偉，楊靜浩，別春華

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

葉片是風力發(fā)電機中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的部件，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機組正常穩(wěn)定運行的決定因素。而玻璃纖維布是目前構(gòu)成風電葉片組織結(jié)構(gòu)的主要材料之一，玻璃纖維布的強度和硬度對葉片的重量、強度、疲勞性能和壽命等有著顯著的影響，雖然國內(nèi)外在復(fù)合材料玻璃纖維布力學(xué)性能的試驗研究和理論分析等方面做了很多研究工作，但由于風電葉片制造過程中大量采用玻璃纖維布，其制造工藝各不相同且使用環(huán)境復(fù)雜，仍需對玻璃纖維布在不同程度破壞后的力學(xué)性能進行針對性研究[1-2]。

本文對風電葉片制造過程中所用的玻璃纖維布試驗件進行了拉伸、疲勞等試驗，研究分析了不同損傷程度的玻璃纖維布的復(fù)合板疲勞力學(xué)性能及其破壞形態(tài)，為正確使用玻璃纖維布提供了理論依據(jù)，對車間實際操作具有重要指導(dǎo)意義。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

本文試驗所用的試樣是由 4層玻璃纖維布和芯材 Balsa木真空灌注而成，所用玻璃纖維布類型是ETL-750三軸向布，即由3個方向的玻璃纖維編織而成，分別為 0°、±45°方向[3]，沿 0°方向分布的纖維單位面積質(zhì)量為 142g/m2，沿±45°方向分布的纖維為300g/m2，縫紉滌綸為 8g/m2，單位面積總質(zhì)量750g/m2，芯材Balsa木厚度為16mm。

具體材料如表1所示。

夾芯結(jié)構(gòu)鋪層順序：2層纖維布+Balsa木+2層纖維布。

表1 材料準備Tab.1 Material preparation

制樣過程：在真空灌注前用美工刀沿垂直于纖維布 0°紗方向?qū)ΣＡЮw維布進行不同程度的劃傷，玻璃纖維布劃傷程度分別記為：不劃傷、輕微劃傷、劃傷 1層布、劃傷 2層布，做好標記后進行真空灌注、固化后制樣做拉伸、疲勞試樣，見圖1。

圖1 樣板制作過程Fig.1 Making process of sample

1.2 試驗制樣

加熱固化后在劃傷區(qū)域的樣板上制樣，尺寸(長×寬×厚)：250mm×20mm×19mm，見圖2。

圖2 取樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of sample

1.3 試驗儀器

制取的試樣在疲勞試驗機上進行試驗，疲勞試驗機型號：JXYA105C(100kN液壓夾具)，見圖3。

圖3 疲勞試驗機Fig.3 Fatigue test machine

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 拉伸試驗

為了確定試樣所能承受的最大載荷，選取1個正常無損傷的玻璃纖維布試樣在疲勞試驗機上進行軸向拉伸試驗，試樣尺寸檢測值(長×寬×厚)：250mm×19.86mm×18.27mm。

試驗結(jié)果如圖 4所示。試樣拉斷時所承受的最大載荷F為13922N，則：

抗拉強度＝13922N/(19.86mm×18.27mm)＝38.4MPa

圖4 試驗拉伸斷裂后圖片F(xiàn)ig.4 Pictures after tensile fracture

2.2 疲勞試驗

選取無損傷試樣拉伸最大載荷的 40%，即15MPa施加于不同損傷程度的玻璃纖維復(fù)合板試樣進行疲勞試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試驗數(shù)據(jù)對比Tab.2 Comparison of test data

1#試樣(劃傷2層玻璃纖維布))的疲勞試驗過程如圖5所示。

圖5 1#試樣疲勞試驗過程Fig.5 Fatigue test of 1# sample

試驗結(jié)果顯示：1#試樣在載荷 15MPa加載時間5s條件下，纖維布損傷位置發(fā)生斷裂，其損傷位置的背面發(fā)生了分層的現(xiàn)象。

2#試樣(劃傷1層玻璃纖維布))的疲勞試驗過程如圖6所示。

試驗結(jié)果顯示：2#試樣在載荷 15MPa加載時間1h條件下，纖維布劃傷位置發(fā)生分層現(xiàn)象，隨著試驗時間的延長，纖維布損傷位置的分層越來越嚴重，當加載時間達4h后在劃傷位置發(fā)生斷裂失效。

3#試樣(劃傷半層玻璃纖維布)的疲勞試驗過程如圖7所示。

圖6 2#試樣疲勞試驗過程Fig.6 Fatigue test of 2# sample

圖7 3#試樣疲勞試驗過程Fig.7 Fatigue test of 3# sample

試驗結(jié)果顯示：3#試樣在載荷 15MPa加載時間25h，纖維布損傷位置開始發(fā)生輕微發(fā)白，隨著時間的延長發(fā)白演變?yōu)榉謱樱译S著試驗時間的延長損傷位置的分層越來越嚴重，加載時間達 130h后在劃傷位置發(fā)生斷裂失效。

3 總 結(jié)

本文對玻璃纖維層損傷程度的疲勞試驗開展了試驗研究，得到了大量試驗結(jié)果。其對于風電葉片的生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義，得出以下結(jié)論：

①疲勞試驗過程中，在纖維布損傷位置優(yōu)先發(fā)生分層直至斷裂。

②在加載荷載、疲勞頻率相同條件下，不同損傷程度纖維布的試樣疲勞斷裂時間明顯不同，據(jù)此可以判斷出纖維布損傷程度是影響試樣疲勞的一個重要因素。

③風電葉片玻璃纖維布的損傷程度嚴重影響其疲勞性能，進而影響葉片的服役壽命。

由以上的研究和分析對比可知，在葉片纖維布的鋪層過程中必須保證纖維布的完整無損傷，才能保證復(fù)合板材的強度和其他性能，從而保證葉片的服役性能可靠。