风电叶片前缘胶接结构的超声检测技术研究

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1、２０１６年第４期玻璃钢/复合材料５５???????????????????????????????????????????????风电叶片前缘胶接结构的超声检测技术研究∗王昌盛ꎬ周克印ꎬ徐萍ꎬ孟令民(南京航空航天大学ꎬ南京２１１１００)摘要:风电叶片前缘为胶接结构ꎬ胶接质量的优劣直接影响到叶片的使用寿命ꎮ应用超声脉冲回波法对风电叶片前缘胶接结构进行检测ꎬ并通过ＣＩＶＡ仿真分析了探头频率对胶接结构超声检测结果的影响ꎮ试验采用设计的超声波双晶探头对风电叶片前缘试块进行了检测ꎮ分析结果表明ꎬ超声波双晶探头能够接收到明显的胶接区域缺陷回波ꎬ可以方便地实现

2、风电叶片前缘胶接结构的检测ꎮ关键词:风电叶片ꎻ超声检测ꎻ仿真分析ꎻ无损检测ꎻ胶接结构中图分类号:ＴＢ３３２文献标识码:Ａ文章编号:１００３－０９９９(２０１６)０４－００５５－０４风能作为一种快速发展的可再生清洁能源ꎬ其开发利用越来越受到世界各国的重视ꎮ截止２０１４[１]年底ꎬ全球风电累计装机容量达到３７１ＧＷꎮ风电叶片是风力发电机的基础和关键部件之一ꎬ其价值约占装机总成本的２０％ꎬ其合理的设计、可靠的质量[２]是决定风电机组性能好坏的关键因素ꎮ图１风电叶片截面图风电叶片一般由纤维增强复合材料制造ꎬ来提Ｆｉｇ?１Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆｗｉｎ

3、ｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ高其比强度、比模量和抗疲劳性能ꎮ受制造工艺、成型工艺及粘接工艺的影响ꎬ风电叶片难免会出现分风电叶片在生产制造过程中会产生脱粘、缺胶、层、裂纹、脱粘等结构缺陷ꎮ如果这些缺陷不能够在分层和夹杂等典型缺陷ꎮ脱粘缺陷主要是指叶片前叶片出厂前及时检测及修复ꎬ在风电叶片服役过程后缘、大梁与腹板未被粘上的区域ꎮ缺胶缺陷主要中将会导致结构损伤的产生、累计及扩展ꎬ最终导致是由于粘接剂用量不足造成的ꎻ分层缺陷是层板中叶片的失效ꎮ因此ꎬ风电叶片结构质量的控制是保不同层之间存在的局部的明显分离ꎻ夹杂缺陷的产[３]生主要是由于加工过程中的异物混入

4、[６]ꎮ证叶片性能的关键ꎮ风电叶片的前缘为胶接结构ꎬ并且胶接过程为１风电叶片结构及其常见缺陷盲粘ꎬ将会不可避免地出现脱粘或缺胶等缺陷ꎮ目风电叶片的制造一般采用半成型合模技术ꎬ即前ꎬ风电叶片前缘的检测存在的主要困难有:多层结构ꎻ厚度范围变化大ꎻ由各向异性的复合材料构成ꎻ压力侧与吸力侧分别成型ꎬ并通过结构胶进行粘[７][４]外形为弧面ꎬ一般的平面复合材料检测无法适用ꎮ接ꎮ如图１所示为风电叶片截面图ꎬ图中压力侧实际中ꎬ叶片前缘粘接位置有脱粘、粘结力不足等问与吸力侧的前后缘、大梁与腹板均用粘接工艺进行题ꎮ常规的例行检测一般是采用目视法和敲击法ꎬ连接ꎮ根据

5、目前大部分风场运行风电叶片事故分这两种方法要求检测人员具有丰富的经验ꎬ准确性析ꎬ叶片粘接开裂问题最多ꎬ因此粘接质量是影响叶[８][５]难以控制ꎮ针对风电叶片前缘的结构特性ꎬ本文片质量的重要因素ꎮ提出采用超声脉冲反射法来检测其胶接缺陷ꎮ收稿日期:２０１５￣１０￣０８基金项目:国家科技支撑计划项目(２０１２ＢＡＡ０１Ｂ０２)ꎻ江苏高校优势学科建设工程资助项目作者简介:王昌盛(１９８９￣)ꎬ男ꎬ研究生ꎬ主要研究方向是复合材料的检测ꎮ通讯作者:周克印(１９６６￣)ꎬ男ꎬ博士ꎬ教授ꎬ主要从事无损检测的研究ꎮＦＲＰ/ＣＭ２０１６?Ｎｏ?４５６风电叶片前缘胶接

6、结构的超声检测技术研究２０１６年４月???????????????????????????????????????????????２超声波检测原理测灵敏度ꎮ根据不同探测深度的要求可选择不同入超声脉冲反射法是由超声波探头发射脉冲到工射角αꎬ工件中有效探测区域中心到检测表面的距件内部ꎬ通过分析探头接收的反射波信号对缺陷进离Ｆ可用下面公式表示:行识别、定位的ꎮ图２是超声脉冲反射法的基本原Ｌ－ＨｔａｎαＦ＝(１)理图ꎬ超声波换能器向工件发射脉冲ꎬ当脉冲遇到缺éæαöùｔａｎêêａｒｃｓｉｎçＣＬ２ｓｉｎ÷úú陷界面时会发生反射ꎬ在始脉冲与底波之间出现缺ë

7、èＣＬ１øû式中ꎬＬ为晶片中心到楔块底面的高度ꎻＨ为晶片中陷回波ꎮ然后通过完好位置与缺陷位置接收反射回[９]心到隔声层的距离ꎻα为入射角ꎻＣ和Ｃ分别为有波的时间与幅值对比ꎬ来进行缺陷的判断与识别ꎮＬ１Ｌ２[１２]机玻璃声速和被测工件纵波声速ꎮ３风电叶片前缘超声仿真在进行实际检测之前ꎬ先采用ＣＩＶＡ软件进行仿真模拟验证超声检测方法在该材料中的可行性ꎮＣＩＶＡ是法国原子能委员会开发的无损检测ＮＤＴ专业仿真软件ꎬ主要包括超声、涡流和射线三个模块ꎬ图２超声脉冲回波法的检测原理图对于超声波探头的设计和检测工艺的制定具有很好Ｆｉｇ?２Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｕ

8、ｌｔｒａｓｏｎｉｃｅｃｈｏｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ的指导作用[１３]ꎮ在超声模块中ꎬ通过铅笔模型法来计算声束的传播ꎬ并通过基尔霍夫定律和几