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风电叶片用环氧结构胶疲劳性能研究

2015/2/9 10:55:29
文章来源:网络

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主题:2013年10月17日,北京国际风能暨展览会—风电技术论坛。国家玻璃钢制品质量监督检验中心张林文主任介绍:风电叶片用环氧结构胶疲劳性能研究。以下是全文:

张林文:大家上午好!给大家介绍一下关于风机疲劳性能测试的研究。主要做的是环氧结构胶的这种,对于叶片来说需要很多材料需要进行疲劳测试,在这儿仅仅以结构胶的疲劳测试为例。

汇报分四个方面的内容:

一、疲劳测试的目的

二、目前测试的现状

三、疲劳测试实验过程介绍

四、疲劳试验结论

一、疲劳测试目的:材料的规范、研究和开发、质量保证、结构设计和分析、材料认证需要。这是疲劳测试的目的,但是有一个原因,大家都知道我们国家风电叶片这几年发展的非常快,但是中间出了很多问题,为什么出现这些问题?我自己的观点可能不太成熟,可能是因为我们前期发展太快,关于材料各方面基础工作做的不够,其中就有关于疲劳性能的研究不足。因为叶片是在动态条件下进行的,但是我们目前国内的一些叶片使用的材料仅仅是一些静态的性能,没有考虑到所谓的疲劳性能。所以说就出现了很多问题。昨天也是一个风电公司,到我们那里去,交流一些问题。当时也是说叶片有断的等等这样的问题。归纳起来原因我认为就是没有对疲劳性能研究是有很大的原因的。

关于叶片材料疲劳测试有几类:第一个就是关于对树脂和纤维的测试。树脂和纤维是做叶片两个主要的材料,对它的疲劳测试是一种树脂配少一种纤维,做复合材料的测试。主要是拉伸疲劳和压压疲劳,弯曲少一些。第二类比较多的就是泡沫、清末,是小结构疲劳,一般采用弯曲疲劳测试。从国外了解来看,基本还不是所谓的采用国内的三点弯曲,是采用四点弯曲。据说这种弯曲考虑了一部分剪切的原因,所以说基本都是采用四点弯曲去做的。

第三类的材料做疲劳测试的就是结构胶,因为我们发现叶片出现问题、出现失效,很多都是粘接过程中开裂,出现问题。这本身是静态材料的性能才可以,或者说因为我们要求的时候,各个厂家的要求,对材料性能特点要求比较高。不管是强度还是能量要求都比较高。但是实际上往往忽视了材料的疲劳性能,所以这种粘接剂疲劳对整个叶片材料来说也是非常重要的。粘接剂疲劳厂家应该要补上这堂课,这种疲劳一般就是拉剪。

为什么要进行这种测试?意义是什么?我们前期发展太快,一些工作做的不够,需要补课,这是第一。第二,目前叶片大型化发展,它对设计过程中对材料的要求更高。再一个,以前叶片出现的问题,一般都是叶片要是20年的使用周期。但是从08年大规模发展到现在也就5年的时间,都会出现大量叶片非正常非寿命周期断裂或者其他的问题,肯定有多种多样的原因。

第三个是关于认证的需求。比如说GL认证、Aerodyn等。

第四个是关于对叶片性能全面的评价。因为真正的材料叶片做的好不好,能不能长期可靠的使用,更重要的是材料综合评价,而不是静态的。

所以说希望疲劳测试能引起大家的重视。

我们今天以结构胶作为疲劳测试的案例,因为结构胶是叶片重要组成部分,出现问题对整个叶片会出现影响。另外目前国内的这种结构胶主要有几类。第一个是环氧类的,第二个是聚氨酯或者乙烯基的,主要以环氧类为主。目前测试的状态国内一般的是按照国标27595这个标准来测,它是等同ISO标准。国外的标准有复合材料疲劳测试标准,但是对于胶的来说,我们一般都是按照这两个去做。第一个,标准就用9664,测试的分析就用E739去做。

我们这次采用拉拉疲劳单项剪切进行测试,整个实验是我们和南京海拓公司一起合作来做的,我们采用了他们的Lica600认证,现在一些叶片公司也在大量的采用,我们把它作为一个主要材料,其实我们还有其他几个厂家进行了对比。采用的设备是采用INSTRON的实验机。

首先要做试样,为了能够保证疲劳试验可靠度,这样就需要在做试样的时候尽可能的多,因为试样的过程对整个疲劳的结果是有很大的影响的。先做它的静态性能,把这个指标用于后台疲劳试验的指标来用。我们了解到,国内做环氧结构胶静态的拉剪强度有比较高的,但是疲劳性能可能过不了。

疲劳实验方法是按照9664的标准来做,设定平均应力值是35%,频率为30Hz。先做1000万次的疲劳测试,最后做剩余应力结果,通过做30Hz,震幅2兆帕,最终达到85.6%,说明疲劳性能还是不错。

有哪些对疲劳性能会有影响:第一是材料的组分,第二个就是破坏方式的影响。破坏方式正常的话,应该是胶层的破坏才算合理,第三个是胶层的厚度。道理上讲胶层厚度越薄越能反应情况,因为胶层厚了缺陷会增多。但是也有一个限制,不可能太低,和我们实际使用的时候胶层厚度要能够一致。增韧剂比例一般不能大于10%,大于10%它的疲劳也会受影响,一般是7%10%左右最合适

5%10%的时候疲劳性能随着增韧剂的添加逐渐提高,继续添加就过于软了。

破坏方式,我们认为一般的中间胶层的破坏是比较合理的,而且这种结果更接近真实的结果。另外胶层厚度,我们选用了四种厚度,0.20.51.21.8,胶层越薄越好,但是因为操作的原因,不可能太薄,一般0.5是最合适的。

表征:是采用阶梯法的形式,标准就是按照9664的标准来做。采用图纸震度是35%的水平,没有通过就降低0.2兆帕,通过了就提高0.2兆帕。

通过实验,按照公式,计算一下疲劳极限和最后的偏差,同时做S-N曲线。我们做这个实验是95%的情况下的结果,所有的数据应该是在2倍的西格玛区间内。

做出S-N曲线拟合以外,外推1000万次,和实际1000万测试结果两个进行比较,两者之间是比较吻合的。我们在测试的时候,为什么会采用30Hz,为什么采用那么大的频率,他们大的振幅,这是根据我们在叶片上用的胶的情况设定的,当频率一定的时候,振幅越低次数越多一些,我们还是选择了相对比较高的频率30Hz,一般材料都是20Hz左右在做,做高频的可能会发热,做胶来说做30Hz还可以。

通过这个实验得到一些结论:

疲劳性能受到很多因素的影响,主要是胶本体的性能,包括采用不同的机体和材料的影响。

第二个就是试样制备的过程。希望能够在做这种实验的时候尽可能多的同一批次的试样多做一些,避免不同批次试样结果的差别,导致实验结果的逼真。

第三个就是破坏的形式的影响。如果不是正常的破坏形式,结果也会有很大的影响。另外这种实验通过S-N曲线做出的结果进行外推,和实际1000万次拟合结果基本一致。

我们这次进行测试的南京海拓结构胶效果还是非常好的,它的疲劳性能还是非常良好的。

建议:为了叶片结构设计和使用安全性,需要对环氧结构胶进行疲劳测试,叶片相关认证部门和设计部门应将结构胶疲劳性能纳入考虑范围中。今后可能纳入考核认证中,这样对叶片安全更有意义。谢谢大家!

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