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CWPC2024: 浙江航飛檢測技術(shù)有限公司實驗室主任何成智發(fā)表《風(fēng)電葉片復(fù)合材料斷裂韌性影響因素研究》的演講

2024-04-27 瀏覽數(shù):629

大家好,我來自浙江航飛,本次演講的題目是風(fēng)電葉片復(fù)合材料及斷裂韌性影響因素研究。我的分享分為4個方面:1、企業(yè)介

大家好,我來自浙江航飛,本次演講的題目是風(fēng)電葉片復(fù)合材料及斷裂韌性影響因素研究。

我的分享分為4個方面:

1、企業(yè)介紹

浙江航飛成立于2011年12月,是通過中國合格評定國家認可委員會(CNAS)認可和授權(quán),(CMA)中國計量認證,(DNV)認證,具有獨立法人資格的第三方專業(yè)檢測機構(gòu)。公司專注于復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的性能檢測、檢驗,試驗件加工、復(fù)材制造及相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、技術(shù)咨詢、技術(shù)服務(wù)?,F(xiàn)擁有數(shù)十套各類材料和結(jié)構(gòu)檢測試驗設(shè)備及機械加工設(shè)備,可按照國標、美標、歐標、國際ISO等標準方法開展材料樣件的加工與測試服務(wù),同時還具備各類非標試驗的測試方法與技術(shù)能力開發(fā)。

(圖示)這是我們獲得的資格證書,我們是浙江省高新技術(shù)企業(yè),還是浙江大學(xué)本科生教學(xué)實習(xí)基地。這是常規(guī)制樣已測設(shè)備,還有自主開發(fā)的工裝。同時我們做了螺栓和螺栓套的疲勞試驗,還有500千牛龍門架的實驗臺,不超過5000千牛,還有低于10米的實驗臺。

2、斷裂韌性測試背景

因為FRP具有高比強度和高比模量廣泛應(yīng)用于制作風(fēng)機葉片,這些材料在相鄰層之間受載荷(交變載荷、壓縮等)產(chǎn)生分層,分層容易發(fā)生在許多結(jié)構(gòu)上。

定義,斷裂韌性是試樣或構(gòu)件中有裂紋或類裂紋缺陷情形下發(fā)生以其為起點的不再隨著載荷增加而快速斷裂,即發(fā)生所謂不穩(wěn)定斷裂時,材料顯示的阻抗值。我們從裂紋產(chǎn)生到結(jié)束,所有犧牲的韌性值都是鍛煉韌性,我們研究的是材料已經(jīng)存在缺陷的情況下,還能承受多大的應(yīng)力而不至于使裂紋快速擴展到最終發(fā)生破壞;關(guān)注的是裂紋擴展的這個過程,而不僅僅是發(fā)生斷裂的這個結(jié)果。斷裂韌性是表征材料阻止裂紋擴展的能力,是衡量韌性好壞的指標,主要用于質(zhì)量控制和可靠性評估。開發(fā)高性能,高可靠性的產(chǎn)品。沒有產(chǎn)生明顯宏觀塑性的情況下,突然發(fā)生的一種破壞;事先沒有明顯的跡象,所以破壞的危險性很大。

3、斷裂韌性測試分析

我們根據(jù)裂紋體變形情況將裂紋分為3種模式:

張開型(I型)裂紋:或稱拉伸性裂紋,此種為最危險,最重要的一種。類似于葉片在揮舞過程主梁下半部分,大規(guī)模都是這種破壞模式。

滑開型(II型)裂紋:或稱剪切型裂紋,類似于主梁上半部分。

撕開型(III型)裂紋,類似于葉片的扭轉(zhuǎn)。

(圖示)斷裂韌性裂紋計算分為:修正梁理論、柔度標定法、修正柔度標定法。

實驗測試過程,大家可以輕易看出在測試過程中擠板發(fā)生了彎曲的變化,所以需要修正梁把彎曲扭轉(zhuǎn)修正掉。要求厚度是30-50毫米,不超過13um的薄膜。低彎曲模量或者高層間斷裂韌性材料,增加鋪層數(shù)量(增加層壓板厚度)或減少分層長度,以避免試樣的懸臂部分產(chǎn)生較大撓度。加載塊引入載荷,a/h<10數(shù)據(jù)處理可能不正確。

斷裂韌性靜態(tài)結(jié)果分析,樣品的層間性能取決于基體性能,影響因素包括:基體樹脂、纖維體積含量、灌注方向等,通過定量研究對比結(jié)果的影響。不同體積含量G1C,層合板1纖維含量約57%,層合板2纖維含量約53%。不管是高纖維材料還是零度灌注,都會保證纖維體積含量越高,提高G1C值。不同灌注方向G1C,灌注方向為90°方向,灌注方向為0°方向。

(圖示)不同樹脂G1C,不同基板厚度G1C,現(xiàn)階段拉擠板的應(yīng)用,葉片是用二次粘貼,所以說不管是界面還是效果來說,都對力學(xué)性能有非常大的影響。我們現(xiàn)在通過不同因素定量分析,我們選用常用的3款脫模布二次復(fù)合:第一種脫模布發(fā)生了脆斷,第二種也發(fā)生了脆斷。我們在二次過程中出現(xiàn)了脆斷,怎么解決,我們選擇了常用的幾種材料,雙軸200、連續(xù)氈、斜紋布、雙軸600去做,相當(dāng)于纖維橋接,纖維中間發(fā)生了破裂,基板和纖維之間結(jié)合力非常好,傾向于我們需要一種破壞。我們在測試過程中發(fā)現(xiàn)了利用雙軸600可以更好提高織物的G1C數(shù)值,我們就利用雙軸200二次灌注。前面出現(xiàn)的3種脫模布,脆斷也好,數(shù)值偏小也好,經(jīng)過計算值都達到了1200以上,這種應(yīng)用可以極大提高G1C值。我們又對常用免脫拉擠板、有脫拉擠板進行測試,免脫拉擠板一定程度上可以減少成本、提高效率,相對G1C值在我們設(shè)計過程中是需要考慮的。我們通過分析進一步減少預(yù)制裂紋的值,可能由于初始強度過大而直接產(chǎn)生破壞。

我們在前面找到好多種界面破壞,破壞之后我們用一些顯微鏡對表面進行分析,有4種形態(tài)在我們測試過程中對應(yīng)不同的力值。一種是灌注,表面很光滑,這種更類似于我們做免脫模拉擠板,雖然沒有脆斷,結(jié)合力很小,上面有很淺的紋,這兩種都是我們不希望的破壞模式。我們在做的過程中表面會發(fā)生一些樹脂破壞,相當(dāng)于這個點發(fā)生了脆斷,受到力發(fā)生樹脂間斷裂,富樹脂引起的。我們最喜歡的是纖維發(fā)生橋接,在纖維之間去破壞。

(圖示)斷裂韌性的疲勞測試,為什么要進行疲勞測試,因為分層敏感性是造成復(fù)合材料層壓最主要的弱點之一,而且G1C抗裂紋擴展能力,特別是載荷和周期性應(yīng)力。能量釋放率(G)確定分層擴展起始的循環(huán)次數(shù)(N)。我們計算出了G1C值與循環(huán)數(shù)的比較,在G1C值需要很大的時候,應(yīng)力值很小,這個計算的結(jié)果。還有斷流人性疲勞測試,我們在做G1C疲勞時需要一個柔度值,也就是應(yīng)力和裂紋比值,和前面做的3種一樣,有一些關(guān)系。不管是人工記錄裂紋值也好,還是通過靜態(tài)分析記錄,還是動態(tài)分析,都類似于一條擬合的直線。通過我們分析可以看出來,在裂紋擴展過程中會處于三個階段:一是低疲勞值;二是裂紋穩(wěn)定增長,呈線性破壞;三是G1C到達一定的值,裂紋擴展非常不穩(wěn)定,發(fā)生快速失效。

4、總結(jié)與展望

不同纖維含量對G1C值的影響,纖維含量越高,靜態(tài)性能是升高的。在纖維含量較低時,因為層間某部分有富數(shù)值導(dǎo)致脆斷,集體樹脂性能不足以支撐整個樣板,也會發(fā)生G1C值破壞,這個疲勞值會在樹脂多的時候破壞,樹脂低的時候也會破壞,更值得我們?nèi)リP(guān)注。我們做了這么多研究,怎么提高G1C值,在完全浸潤的情況下盡量讓體積含量升高;90度灌注效果更好,90度灌注情況下可以讓樹脂浸潤性保持一致性。還有選一些雙軸導(dǎo)流織物,讓克重更小,讓界面更薄,趨近于讓兩個界面結(jié)合。新研究的導(dǎo)流板可以增加灌注效果,而且本身力學(xué)性能非常好,增加G1C值。還有測試過程中基于一些高模量,讓形變量更小,也可以讓G1C值更真實。其實對于我們測試過程中可以升高溫度,這樣的話可以讓樹脂粘度降低,可以讓浸潤時間更長,可以增加粘接力。包括延長恒溫,讓浸潤時間更長,也可以增加粘接力。

我的報告就到這里,謝謝大家!   


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