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叶片层铺褶皱缺陷的初步探讨

【摘要】叶片作为风力发电机组最重要的零部件,其层铺褶皱缺陷引起的结构损伤是造成风电场叶片运行事故的重要原因之一。本文从褶皱所在叶片位置的特征对褶皱进行了分类描述,并对近期的研究结果进行了总结,需要指出的是,由于层铺褶皱发生的原因比较复杂,本文仅针对一些典型表象进行探讨,不能完全覆盖叶片层铺褶皱的特点。

【关键词】叶片 纤维增强复合材料 织物 褶皱 载荷

1   引言

随着风电装机量日渐增加,风力发电机组风轮叶片已经成为全球范围内需求量最大的复合材料主承力结构部件。层铺褶皱缺陷作为纤维增强复合材料的一种主要缺陷,在风轮叶片中也同样存在。由于叶片具有单体价值大,维修和更换施工成本高,损伤过程带来的附加损失大等特点,缺陷一旦形成损伤甚至发展为破坏,其带来的损失都是巨大的。因此,层铺褶皱一直是风电行业内比较受关注的问题。

到目前为止,行业内对褶皱问题还没有形成完整透彻的认识。许多企业和研发单位采用“高宽比”来描述和判断褶皱,这种方法无法全面评估褶皱带来的影响。同样尺寸的褶皱,在叶片的不同位置,不同的受力作用下,其产生的影响有很大差异。因此,如何全面的去描述、判断、评价、应对褶皱,是一个值得深入探讨的话题。

2   褶皱概述

纤维增强复合材料是通过设计纤维的方向来实现有效承载的。纤维通过集束,再编织成一定幅宽的织物,以层积的形式与树脂结合形成三维的复合材料制品,实现工业应用,所以实际应用中织物的幅宽、织物的方向性和数量以及每束(根)纤维的方向性在产品中的表象,都是理论设计与制造成本及制造能力形成的妥协的结果。

纤维在集束加捻和编织成织物的生产过程中,都会产生少许方向偏转,织物的编织是以平面状态进行的,织物在不规则三维形状的层铺时,纤维束方向偏转也是必然的。以叶片为代表,纤维增强复合材料产品中的层铺褶皱,实际上就是织物中纤维束的方向偏转超出了设计能接受范围的宏观体现,其可能产生的危害随应用工况实际应力水平的不同而不同。

3   褶皱分类

在生产实践中,大多数的结构褶皱在静载试验中不会出现异常,而是根据受载情况,在一段时间的运行疲劳之后形成损伤,最终导致叶片无法正常运行。由于叶片不同部位的受载不一样,因此在叶片不同部位的褶皱,其影响会有差异,处理方案也应该区别制定。

3.1  主梁的褶皱

目前在叶片结构设计中,主梁基本以单向布或单向复合毡作为增强材料。危害最大的主梁褶皱方向是弦向的,多数源于某一层的层铺过程中应力不均匀,如果褶皱情况比较严重,在后续的层铺中可以被及时发现,稍轻微的情况需要在抽真空甚至树脂固化反应之后才能表现出来。

图1 叶片主梁示意图

严重的褶皱在弦向和厚度方向都是贯穿的,轻微些的往往只在局部出现,甚至只在主梁表面几层出现微小鼓起,但表现以弦向褶皱为主。

主梁的褶皱是最先被关注的,行业内一直在研究其产生的危害以及应对方法。早期生产企业工艺水平较低,主梁褶皱的发生率较高。由于褶皱的危害在试验过程甚至短期的挂机运行中,并没有充分的展现出来,同时直接报废叶片又带来较高的成本压力,各家企业对带褶皱的叶片产品都在不同程度上进行了让步接收。许多产品在运行几年以后,褶皱最终演化成了疲劳裂纹,一旦裂纹形成,多数产品在一个巡检周期(通常一年)内就会发生解体破坏,后果非常严重。

目前行业内对此类问题已经形成了成熟的解决方案:通过均匀加大层铺张力,拉直了每一束单向纤维,主梁褶皱的发生率已大幅度降低。

3.2 后缘梁的褶皱

在叶片结构设计中,后缘梁基本以单向布或单向复合毡为增强材料构成,随着叶片尺寸的加大,后缘梁的铺层已经越来越厚,靠近叶根区域的截面形状也越来越复杂。

图2 叶片后缘梁示意图

因为后缘梁沿后缘铺放,后缘在叶片最大弦长处存在一个明显的拐弯,后缘梁铺层也会在此处拐弯。作为平面织物,纤维束形成弯折是不可避免的。这种褶皱多发生在最大弦长附近,且不是贯穿后缘梁的,开口在后缘梁的前缘一侧。

早期,有些企业以默认存在的方式对待最大弦长处的后缘梁褶皱和铺放不整齐问题,因为叶片较短,设计摆振裕度也较大,从现场运行结果来看,没有形成较大危害;部分企业通过错层剪断的方式保证了后缘梁的铺放整齐,大幅度减小了褶皱的发生率,由于层间剪切代替了被剪断的单向织物承载,摆振方向的承载能力也没有明显降低。

近年来,探索中发现,通过控制层铺时的张力,均匀改变各束纤维的小幅度弯曲的状况,可以实现宏观的无褶皱层铺,后缘梁的整齐水平、褶皱发生率都得到了很好的控制,所以,这部分褶皱已经不再是行业困惑。

3.3 叶身内蒙皮褶皱

目前的叶片结构设计叶身内蒙皮基本以三轴布或三轴加双轴布为增强材料构成,由于这部分是在层铺工序的最后环节进行的,受约束相对少,打袋子抽真空之后甚至产品固化后,会发现表面有不少细碎的褶皱,有些褶皱是与织物的弯曲同步的,有些仅仅是因为注胶用带孔隔离膜的自然褶皱,里面仅仅是淤积了少许树脂。

以我们目前的研究,没有发现这类褶皱导致叶片疲劳损伤的案例。

3.4 过渡段褶皱

过渡段被定义为叶片叶根圆柱段终止到最大弦长之间的区域。叶片运行过程中,这段区域线速度低,外型对气动效率的贡献不大,常常被忽视。早期叶片结构设计不够精细,结构裕度较大,褶皱敏感度低,少量不太严重的褶皱并不会引发结构疲劳破坏。但随着减重降本的压力加大,设计进一步走向精细化,外形设计、结构设计、工艺设计、生产、质检等等各个环节都需要更加细致的工作,因为褶皱冗余被大幅度降低了。

图3 叶片过渡段示意图

1)过渡段三轴布为主夹心外侧褶皱

过渡段是叶片外形变化最为剧烈的地方,尤其是夹心外侧,很容易层铺出现褶皱。而且被后续的夹心覆盖,过程检验中发现问题的机会相对较少。

同时,由于模腔表面是顺滑的,启模后能观察到的仅仅是产品表面含胶量的变化,也就是说常规的褶皱测量和描述方法不太适用。由于过渡段的喇叭口形状,加之三轴布的三个主纤维方向,本处褶皱的方向不统一,多数不是展向和弦向。

因为过渡段的三轴布铺层数量沿展向是逐渐减少的,在夹心外侧铺层较少的区域,褶皱会被成型时的真空压力挤压,局部的纤维束弯曲会被加剧,导致褶皱的危害被放大,此区域需要格外重视。

图4 夹心外侧褶皱示意图

上图是模拟的夹心外侧褶皱,夹心为25 x 25 x 25的轮廓版锯切缝2㎜,内外各4层1㎜厚的织物,沿展向切开。图中深色填充处是树脂聚集区,可以看到在褶皱附近,轮廓版锯切缝特征发生了变化,褶皱的核心和肩部织物在真空压力、树脂填充和树脂固化的共同作用下形成了独特的树脂富集区,由于织物纤维束曲率大,此处外蒙皮的承载能力是很弱的。同时,夹心内侧的蒙皮也发生了少许弯曲,但由于纤维束曲率小很多,对承载影响不大。

2)过渡段三轴布为主夹心内测褶皱

在过渡段区域,夹心内侧的三轴布层铺时受到的约束较少,有时在抽真空后才发现有层铺褶皱。外形表象为突起,走向与夹心外侧褶皱相似,不太规律,可以较方便地测量和描述,即使固化后,需要维修的部分也相对容易进行。

因为相对容易被发现,且需要处理时也方便操作,这类褶皱引起的损伤案例较少。但同样不能忽视。

图5 夹心内侧褶皱示意图

上图是模拟的夹心内侧褶皱,夹心为25×25 x 25的轮廓版锯切缝2㎜,内外各4层1㎜厚的织物,沿展向切开。图中深色填充处是树脂聚集区,可以看到在褶皱附近,轮廓版锯切缝特征几乎无变化,仅在褶皱核心区织物与夹心之间形成一个富胶区。需要注意的是,在褶皱核心区部位的富胶区,其高宽比是1:10,而在4㎜外的表层,高宽比变成了1:13,说明能测量到的表观高宽比与褶皱核心区存在明显差异,这会影响到我们对褶皱的判断。

3.5 叶身外蒙皮褶皱

叶片结构设计中,叶身外蒙皮基本以三轴布或三轴加双轴布为增强材料构成。由于叶身外表面形状过渡缓慢,且与光滑的模具腔体相接触,不容易发生严重的层铺褶皱,即使偶有发生,最终因疲劳导致外蒙皮开裂,裂纹扩展速度也不太快,通常能在例行巡检中发现。

叶片展向叶根半区前缘,外形变化较大,吸力面更为明显。在层铺完成后,抽真空过程中偶尔会出现褶皱,在摆振载荷的作用下,褶皱可以导致疲劳裂纹,扩展后,叶片会受损甚至解体。多数时候,叶片前缘内外的补强和粘接法兰能起到加强作用,降低了此处褶皱的影响。

4   褶皱的应对

本章节通过一个具体的计算案例来讨论一下如何应对褶皱。

叶片直径100米左右,图示部位是叶片过渡段距叶根5米接近前缘位置的局部,夹心材料是25 x 25 x 25.4刀切轮廓板,其夹心外层有一典型褶皱,夹心内外侧各有5层1215三轴布,外表褶皱高宽比为1:5,夹心外表面层铺褶皱高宽比已经达到1:10,夹心内侧内表面就已经降到接近1:50了。

图6 褶皱示意图

上图中,最上面是没有褶皱的截面,中间是设计如前所述的褶皱,最下面是褶皱的外表面添加了两层1215的三轴布作为褶皱的修补。

图7 均匀拉伸情况应力计算结果

考虑均匀拉伸情况,根据理论计算,无缺陷状态纤维铺层应力为305.6MPa。

图8 存在褶皱后应力计算结果

设计了褶皱后,应力集中位置发生在褶皱高宽比最大铺层,最大应力634.3MPa,最小应力-172.5 MPa。由于褶皱的存在,严重影响了结构应力分布,褶皱高宽比最大铺层会最先发生纤维失效。

图9 添加补强后应力计算结果

添加了两层补强后,补强铺层缓解了褶皱高宽比最大铺层应力集中的情况。应力集中新位置发生在补强铺层,最大应力470.9MPa。结构恢复安全。

需要指出的是,补强可以有效地改善褶皱缺陷附近的应力分布状况,但多数时候不需要把缺陷处的应力水平降到理论上的极低值,而更多的是强调安全和补强方案的可实施性。

5   总结

褶皱是用于叶片层铺织物中的纤维束,集中、较大弯曲的宏观表现,是在制造过程中产生的,多数发生在叶片形状变化最剧烈的地方。沿主纤维方向施加应力的层铺会大幅度减小单向织物褶皱的发生率,三轴布层铺变形能力最差,也最容易产生方向不确定的褶皱。

褶皱是复合材料结构件中一种较为常见的缺陷,它的危害与铺层的位置、层数,褶皱的跨距、方向、长度,以及织物的编织特征等都紧密相关,目前用高宽比来表达和判断的常规做法需要进一步优化和完善。

虽然通过设计较大的结构裕度可以有效地降低褶皱引起的疲劳损伤,但考虑到成本的压力,应该在叶片设计制造的所有环节通过更精细的工作来降低褶皱产生的概率,以此来避免运行疲劳导致褶皱附近形成应力裂纹对叶片的伤害。

作者:中国船级社质量认证公司 原野、朱雷

来源:《风能产业》2020第3期