葉片層鋪褶皺缺陷的初步探討 - 副本

【摘要】葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最重要的零部件，其層鋪褶皺缺陷引起的結(jié)構(gòu)損傷是造成風(fēng)電場葉片運行事故的重要原因之一。本文從褶皺所在葉片位置的特征對褶皺進(jìn)行了分類描述，并對近期的研究結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，需要指出的是，由于層鋪褶皺發(fā)生的原因比較復(fù)雜，本文僅針對一些典型表象進(jìn)行探討，不能完全覆蓋葉片層鋪褶皺的特點?！娟P(guān)鍵詞】葉片

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料織物褶皺載荷1

引言隨著風(fēng)電裝機(jī)量日漸增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)需求量最大的復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)部件。層鋪褶皺缺陷作為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一種主要缺陷，在風(fēng)輪葉片中也同樣存在。由于葉片具有單體價值大，維修和更換施工成本高，損傷過程帶來的附加損失大等特點，缺陷一旦形成損傷甚至發(fā)展為破壞，其帶來的損失都是巨大的。因此，層鋪褶皺一直是風(fēng)電行業(yè)內(nèi)比較受關(guān)注的問題。到目前為止，行業(yè)內(nèi)對褶皺問題還沒有形成完整透徹的認(rèn)識。許多企業(yè)和研發(fā)單位采用“高寬比”來描述和判斷褶皺，這種方法無法全面評估褶皺帶來的影響。同樣尺寸的褶皺，在葉片的不同位置，不同的受力作用下，其產(chǎn)生的影響有很大差異。因此，如何全面的去描述、判斷、評價、應(yīng)對褶皺，是一個值得深入探討的話題。2

褶皺概述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是通過設(shè)計纖維的方向來實現(xiàn)有效承載的。纖維通過集束，再編織成一定幅寬的織物，以層積的形式與樹脂結(jié)合形成三維的復(fù)合材料制品，實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，所以實際應(yīng)用中織物的幅寬、織物的方向性和數(shù)量以及每束（根）纖維的方向性在產(chǎn)品中的表象，都是理論設(shè)計與制造成本及制造能力形成的妥協(xié)的結(jié)果。纖維在集束加捻和編織成織物的生產(chǎn)過程中，都會產(chǎn)生少許方向偏轉(zhuǎn)，織物的編織是以平面狀態(tài)進(jìn)行的，織物在不規(guī)則三維形狀的層鋪時，纖維束方向偏轉(zhuǎn)也是必然的。以葉片為代表，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品中的層鋪褶皺，實際上就是織物中纖維束的方向偏轉(zhuǎn)超出了設(shè)計能接受范圍的宏觀體現(xiàn)，其可能產(chǎn)生的危害隨應(yīng)用工況實際應(yīng)力水平的不同而不同。3

褶皺分類在生產(chǎn)實踐中，大多數(shù)的結(jié)構(gòu)褶皺在靜載試驗中不會出現(xiàn)異常，而是根據(jù)受載情況，在一段時間的運行疲勞之后形成損傷，最終導(dǎo)致葉片無法正常運行。由于葉片不同部位的受載不一樣，因此在葉片不同部位的褶皺，其影響會有差異，處理方案也應(yīng)該區(qū)別制定。3.1

主梁的褶皺目前在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主梁基本以單向布或單向復(fù)合氈作為增強(qiáng)材料。危害最大的主梁褶皺方向是弦向的，多數(shù)源于某一層的層鋪過程中應(yīng)力不均勻，如果褶皺情況比較嚴(yán)重，在后續(xù)的層鋪中可以被及時發(fā)現(xiàn)，稍輕微的情況需要在抽真空甚至樹脂固化反應(yīng)之后才能表現(xiàn)出來。圖1葉片主梁示意圖嚴(yán)重的褶皺在弦向和厚度方向都是貫穿的，輕微些的往往只在局部出現(xiàn)，甚至只在主梁表面幾層出現(xiàn)微小鼓起，但表現(xiàn)以弦向褶皺為主。主梁的褶皺是最先被關(guān)注的，行業(yè)內(nèi)一直在研究其產(chǎn)生的危害以及應(yīng)對方法。早期生產(chǎn)企業(yè)工藝水平較低，主梁褶皺的發(fā)生率較高。由于褶皺的危害在試驗過程甚至短期的掛機(jī)運行中，并沒有充分的展現(xiàn)出來，同時直接報廢葉片又帶來較高的成本壓力，各家企業(yè)對帶褶皺的葉片產(chǎn)品都在不同程度上進(jìn)行了讓步接收。許多產(chǎn)品在運行幾年以后，褶皺最終演化成了疲勞裂紋，一旦裂紋形成，多數(shù)產(chǎn)品在一個巡檢周期（通常一年）內(nèi)就會發(fā)生解體破壞，后果非常嚴(yán)重。目前行業(yè)內(nèi)對此類問題已經(jīng)形成了成熟的解決方案：通過均勻加大層鋪張力，拉直了每一束單向纖維，主梁褶皺的發(fā)生率已大幅度降低。3.2后緣梁的褶皺在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計中，后緣梁基本以單向布或單向復(fù)合氈為增強(qiáng)材料構(gòu)成，隨著葉片尺寸的加大，后緣梁的鋪層已經(jīng)越來越厚，靠近葉根區(qū)域的截面形狀也越來越復(fù)雜。圖2葉片后緣梁示意圖因為后緣梁沿后緣鋪放，后緣在葉片最大弦長處存在一個明顯的拐彎，后緣梁鋪層也會在此處拐彎。作為平面織物，纖維束形成彎折是不可避免的。這種褶皺多發(fā)生在最大弦長附近，且不是貫穿后緣梁的，開口在后緣梁的前緣一側(cè)。早期，有些企業(yè)以默認(rèn)存在的方式對待最大弦長處的后緣梁褶皺和鋪放不整齊問題，因為葉片較短，設(shè)計擺振裕度也較大，從現(xiàn)場運行結(jié)果來看，沒有形成較大危害；部分企業(yè)通過錯層剪斷的方式保證了后緣梁的鋪放整齊，大幅度減小了褶皺的發(fā)生率，由于層間剪切代替了被剪斷的單向織物承載，擺振方向的承載能力也沒有明顯降低。近年來，探索中發(fā)現(xiàn)，通過控制層鋪時的張力，均勻改變各束纖維的小幅度彎曲的狀況，可以實現(xiàn)宏觀的無褶皺層鋪，后緣梁的整齊水平、褶皺發(fā)生率都得到了很好的控制，所以，這部分褶皺已經(jīng)不再是行業(yè)困惑。3.3葉身內(nèi)蒙皮褶皺目前的葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計葉身內(nèi)蒙皮基本以三軸布或三軸加雙軸布為增強(qiáng)材料構(gòu)成，由于這部分是在層鋪工序的最后環(huán)節(jié)進(jìn)行的，受約束相對少，打袋子抽真空之后甚至產(chǎn)品固化后，會發(fā)現(xiàn)表面有不少細(xì)碎的褶皺，有些褶皺是與織物的彎曲同步的，有些僅僅是因為注膠用帶孔隔離膜的自然褶皺，里面僅僅是淤積了少許樹脂。以我們目前的研究，沒有發(fā)現(xiàn)這類褶皺導(dǎo)致葉片疲勞損傷的案例。3.4過渡段褶皺過渡段被定義為葉片葉根圓柱段終止到最大弦長之間的區(qū)域。葉片運行過程中，這段區(qū)域線速度低，外型對氣動效率的貢獻(xiàn)不大，常常被忽視。早期葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠精細(xì)，結(jié)構(gòu)裕度較大，褶皺敏感度低，少量不太嚴(yán)重的褶皺并不會引發(fā)結(jié)構(gòu)疲勞破壞。但隨著減重降本的壓力加大，設(shè)計進(jìn)一步走向精細(xì)化，外形設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計、生產(chǎn)、質(zhì)檢等等各個環(huán)節(jié)都需要更加細(xì)致的工作，因為褶皺冗余被大幅度降低了。圖3葉片過渡段示意圖1）過渡段三軸布為主夾心外側(cè)褶皺過渡段是葉片外形變化最為劇烈的地方，尤其是夾心外側(cè)，很容易層鋪出現(xiàn)褶皺。而且被后續(xù)的夾心覆蓋，過程檢驗中發(fā)現(xiàn)問題的機(jī)會相對較少。同時，由于模腔表面是順滑的，啟模后能觀察到的僅僅是產(chǎn)品表面含膠量的變化，也就是說常規(guī)的褶皺測量和描述方法不太適用。由于過渡段的喇叭口形狀，加之三軸布的三個主纖維方向，本處褶皺的方向不統(tǒng)一，多數(shù)不是展向和弦向。因為過渡段的三軸布鋪層數(shù)量沿展向是逐漸減少的，在夾心外側(cè)鋪層較少的區(qū)域，褶皺會被成型時的真空壓力擠壓，局部的纖維束彎曲會被加劇，導(dǎo)致褶皺的危害被放大，此區(qū)域需要格外重視。圖4夾心外側(cè)褶皺示意圖上圖是模擬的夾心外側(cè)褶皺，夾心為25x25x25的輪廓版鋸切縫2㎜，內(nèi)外各4層1㎜厚的織物，沿展向切開。圖中深色填充處是樹脂聚集區(qū)，可以看到在褶皺附近，輪廓版鋸切縫特征發(fā)生了變化，褶皺的核心和肩部織物在真空壓力、樹脂填充和樹脂固化的共同作用下形成了獨特的樹脂富集區(qū)，由于織物纖維束曲率大，此處外蒙皮的承載能力是很弱的。同時，夾心內(nèi)側(cè)的蒙皮也發(fā)生了少許彎曲，但由于纖維束曲率小很多，對承載影響不大。2）過渡段三軸布為主夾心內(nèi)測褶皺在過渡段區(qū)域，夾心內(nèi)側(cè)的三軸布層鋪時受到的約束較少，有時在抽真空后才發(fā)現(xiàn)有層鋪褶皺。外形表象為突起，走向與夾心外側(cè)褶皺相似，不太規(guī)律，可以較方便地測量和描述，即使固化后，需要維修的部分也相對容易進(jìn)行。因為相對容易被發(fā)現(xiàn)，且需要處理時也方便操作，這類褶皺引起的損傷案例較少。但同樣不能忽視。圖5夾心內(nèi)側(cè)褶皺示意圖上圖是模擬的夾心內(nèi)側(cè)褶皺，夾心為25x25x25的輪廓版鋸切縫2㎜，內(nèi)外各4層1㎜厚的織物，沿展向切開。圖中深色填充處是樹脂聚集區(qū)，可以看到在褶皺附近，輪廓版鋸切縫特征幾乎無變化，僅在褶皺核心區(qū)織物與夾心之間形成一個富膠區(qū)。需要注意的是，在褶皺核心區(qū)部位的富膠區(qū)，其高寬比是1：10，而在4㎜外的表層，高寬比變成了1：13，說明能測量到的表觀高寬比與褶皺核心區(qū)存在明顯差異，這會影響到我們對褶皺的判斷。3.5葉身外蒙皮褶皺葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計中，葉身外蒙皮基本以三軸布或三軸加雙軸布為增強(qiáng)材料構(gòu)成。由于葉身外表面形狀過渡緩慢，且與光滑的模具腔體相接觸，不容易發(fā)生嚴(yán)重的層鋪褶皺，即使偶有發(fā)生，最終因疲勞導(dǎo)致外蒙皮開裂，裂紋擴(kuò)展速度也不太快，通常能在例行巡檢中發(fā)現(xiàn)。葉片展向葉根半?yún)^(qū)前緣，外形變化較大，吸力面更為明顯。在層鋪完成后，抽真空過程中偶爾會出現(xiàn)褶皺，在擺振載荷的作用下，褶皺可以導(dǎo)致疲勞裂紋，擴(kuò)展后，葉片會受損甚至解體。多數(shù)時候，葉片前緣內(nèi)外的補(bǔ)強(qiáng)和粘接法蘭能起到加強(qiáng)作用，降低了此處褶皺的影響。4

褶皺的應(yīng)對本章節(jié)通過一個具體的計算案例來討論一下如何應(yīng)對褶皺。葉片直徑100米左右，圖示部位是葉片過渡段距葉根5米接近前緣位置的局部，夾心材料是25x25x25.4刀切輪廓板，其夾心外層有一典型褶皺，夾心內(nèi)外側(cè)各有5層1215三軸布，外表褶皺高寬比為1：5，夾心外表面層鋪褶皺高寬比已經(jīng)達(dá)到1：10，夾心內(nèi)側(cè)內(nèi)表面就已經(jīng)降到接近1：50了。圖6褶皺示意圖上圖中，最上面是沒有褶皺的截面，中間是設(shè)計如前所述的褶皺，最下面是褶皺的外表面添加了兩層1215的三軸布作為褶皺的修補(bǔ)。圖7均勻拉伸情況應(yīng)力計算結(jié)果考慮均勻拉伸情況，根據(jù)理論計算，無缺陷狀態(tài)纖維鋪層應(yīng)力為305.6MPa。圖8存在褶皺后應(yīng)力計算結(jié)果設(shè)計了褶皺后，應(yīng)力集中位置發(fā)生在褶皺高寬比最大鋪層，最大應(yīng)力634.3MPa，最小應(yīng)力-172.5MPa。由于褶皺的存在，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，褶皺高寬比最大鋪層會最先發(fā)生纖維失效。圖9添加補(bǔ)強(qiáng)后應(yīng)力計算結(jié)果添加了兩層補(bǔ)強(qiáng)后，補(bǔ)強(qiáng)鋪層緩解了褶皺高寬比最大鋪層應(yīng)力集中的情況。應(yīng)力集中新位置發(fā)生在補(bǔ)強(qiáng)鋪層，最大應(yīng)力470.9MPa。結(jié)構(gòu)恢復(fù)安全。需要指出的是，補(bǔ)強(qiáng)可以有效地改善褶皺缺陷附近的應(yīng)力分布狀況，但多數(shù)時候不需要把缺陷處的應(yīng)力水平降到理論上的極低值，而更多的是強(qiáng)調(diào)安全和補(bǔ)強(qiáng)方案的可實施性。5

總結(jié)褶皺是用于葉片層鋪織物中的纖維束，集中、較大彎曲的宏觀表現(xiàn)，是在制造過程中產(chǎn)生的，多數(shù)發(fā)生在葉片形狀變化最劇烈的地方。沿主纖維方向施加應(yīng)力的層鋪會大幅度減小單向織物褶皺的發(fā)生率，三軸布層鋪變形能力