风电叶片玻璃钢复合材料声发射衰减与源定位

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1、风电叶片玻璃钢复合材料声发射衰减与源定位摘要:为实现风电叶片结构健康监测中典型声发射源的特征分析和精确定位，以风电叶片玻璃纤维增强单向复合材料和多层复合材料为研究对象，采用φ0.5mm铅芯为模拟声发射源，探讨声发射波在复合材料中的传播、衰减特性和定位精度.实验研究结果表明:羊向复合材料纵向和横向的声发射传播与衰减特性明显不同，纵向声这大、衰减小;风电叶片现场检测中声发射源的精确定位，应综合考虑复合材料的结构和声学特性.玻璃纤维增强复合材料比强度、比模量高，抗疲劳性能好，广泛用于制造风电叶片复合材料结构.受制造工艺等随机因素影响，风电叶片

2、难免会产生纤维断裂、缺胶和分层等结构缺陷，这些缺陷在实际静/动载荷、疲劳等条件作用下，将加剧风电叶片结构的损伤累积和失稳破坏，为此，风电叶片玻璃钢复合材料结构健康监测对确保风电叶片长期可靠运行具有重要作用。声发射检测技术对动态缺陆敏感，能做到实时监测，可有效反映纤维增强复合材料损伤失效的过程，近年来，国外相关学者相继开展了声发射技术在风电叶片的早期损伤预报和结构健康监测方面的研究。国内在该领域的研究处于起步阶段，主要包括风电叶片裂纹的声发射监测和结构健康监测的设想问.但针对风电叶片玻璃钢复合材料声发射衰减与定位的研究涉及较少.本文以风电

3、叶片单向复合材料和多层复合材料为研究对象，采用φ0.5mm铅芯为模拟声发射源，获取声发射波在复合材料中的传播、衰减规律和源定位特性，为风电叶片复合材料结构的现场健康监测提供参考依据.1实验过程实验所用风电叶片单向复合材料由单向玻璃纤维环氧预浸料(牌号为G15000)在平板模具上铺设60层后，烘箱内加热加压固化获得，复合材料层板厚度为6mm.在风电叶片上切割的多层复合材料试件平均厚度为24mm.实验过程中，以φ0.5mm铅芯为模拟声发射源，利用AMSY-5全波形声发射仪实时监测并记录声发射信号.声发射监测采用3~4个100~900kHz的

4、宽频带传感器，内置前置放大器增益为40dB，中心频长沙鹏翔电子科技有限公司肖海波，18874828610邮件:ae5697@ndttech.net率为150kHz，采样频率为10MHz，信号采集阅值设为46dB.单向复合材料衰减与声速测量时，4个传感器直线排列，纵向间距均为60mm，横向间距均为40mm，模拟声发射源距最近传感器中心的距离为20mm.多层复合材料衰减与声速测量时，3个传感器直线排列，间距为60mm，模拟声发射源距最近传感器中心的距离为20mm.定位测量时，4个传感器短形布置，单向复合材料间距为100mm和80mm，多层复

5、合材料间距为95mm和55mm.声发射监测过程中，传感器与试板之间用凡士林藕合.2结果及讨论2.1单向复合材料衰减与源定位风电叶片单向复合材料声发射幅度衰减如图1所示，纵向和横向衰减均通过3次有效模拟声发射源依到达4个传感器的幅度来获取。实验结果表明:3次模拟声发射信号的幅度衰减基本一致，能有效代表单向复合材料纵向和横向的声发射衰减特性;纵向衰减为O.58~1.6dB/cm，横向衰减为2.4~4dB/cm.可见，单向复合材料声发射横向衰减要明显高于纵向衰减这一现象主要源于单向复合材料的结构特征.风电叶片单向复合材料纤维均纵向排列，声波在

6、复合材料中的纵向传播主要沿纤维方向进行，衰减相对较小；而沿复合材料横向，树脂和纤维交替出现，声波的传播遵循树脂-纤维-树脂的循环过程，出现多次树脂与纤维的界面反射，从而造成能量的散射和吸收，导长沙鹏翔电子科技有限公司肖海波，18874828610邮件:ae5697@ndttech.net致复合材料横向有较大的声发射幅度衰减。断铅模拟声发射源到达各传感器的波形和频谱如图2所示，各传感器获取的波形和频率特性变化不大，未出现声发射波的频散效应.依据声发射波到达各传感器的时间差和传感器间距，可计算出声发射在单向复合材料中的传播速度。通过计算可得

7、，风电叶片单向复合材料纵向声速约为4640m/s.横向声速约为1835m/s.可见，声发射波在单向复合材料中的纵向传播速度明显高于横向传播速度.声波在材料中的传播速度主要与介质的弹性模量和密度有关，弹性模量与密度的比值越高，对应的波速也越高.玻璃纤维与树脂基体的密度相差不大，但玻璃纤维的弹性模量要明显高于树脂基体，这说明声发射波在玻璃纤维中的传播速度较大，声波在复合材料中的纵向传播就是沿纤维方向进行的.声发射波在树脂基体中的传播速度相对较小，且横向传播时，声波在树脂与纤维的界面出现多次反射而延长了声程，造成较低的横向传播声速.在风电叶片

8、声发射源定位中予以充分考虑单向复合材料纵向和横向声速的差异。在风电叶片结构健康现场监测中，传感器一般布置在叶片表面.为获取声发射源的位置，应采用声发传感器阵列来实现二维平面定位.在已知声波在风电叶片复合材料