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      2. 風電葉片前緣膠接結(jié)構(gòu)超聲檢測技術(shù)研究論文

        時間:2021-04-16 09:44:37 論文 我要投稿

        風電葉片前緣膠接結(jié)構(gòu)超聲檢測技術(shù)研究論文

          摘要:風電葉片前緣為膠接結(jié)構(gòu),膠接質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到葉片的使用壽命。應(yīng)用超聲脈沖回波法對風電葉片前緣膠接結(jié)構(gòu)進行檢測,并通過CIVA仿真分析了探頭頻率對膠接結(jié)構(gòu)超聲檢測結(jié)果的影響。試驗采用設(shè)計的超聲波雙晶探頭對風電葉片前緣試塊進行了檢測。分析結(jié)果表明,超聲波雙晶探頭能夠接收到明顯的膠接區(qū)域缺陷回波,可以方便地實現(xiàn)風電葉片前緣膠接結(jié)構(gòu)的檢測。

        風電葉片前緣膠接結(jié)構(gòu)超聲檢測技術(shù)研究論文

          關(guān)鍵詞:風電葉片;超聲檢測;仿真分析;無損檢測;膠接結(jié)構(gòu)

          風能作為一種快速發(fā)展的可再生清潔能源,其開發(fā)利用越來越受到世界各國的重視。截止2014年底,全球風電累計裝機容量達到371GW[1]。風電葉片是風力發(fā)電機的基礎(chǔ)和關(guān)鍵部件之一,其價值約占裝機總成本的20%,其合理的設(shè)計、可靠的質(zhì)量是決定風電機組性能好壞的關(guān)鍵因素[2]。風電葉片一般由纖維增強復(fù)合材料制造,來提高其比強度、比模量和抗疲勞性能。受制造工藝、成型工藝及粘接工藝的影響,風電葉片難免會出現(xiàn)分層、裂紋、脫粘等結(jié)構(gòu)缺陷。如果這些缺陷不能夠在葉片出廠前及時檢測及修復(fù),在風電葉片服役過程中將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷的產(chǎn)生、累計及擴展,最終導(dǎo)致葉片的失效。因此,風電葉片結(jié)構(gòu)質(zhì)量的控制是保證葉片性能的關(guān)鍵[3]。

          1風電葉片結(jié)構(gòu)及其常見缺陷

          風電葉片的制造一般采用半成型合模技術(shù),即壓力側(cè)與吸力側(cè)分別成型,并通過結(jié)構(gòu)膠進行粘接[4]。如圖1所示為風電葉片截面圖,圖中壓力側(cè)與吸力側(cè)的前后緣、大梁與腹板均用粘接工藝進行連接。根據(jù)目前大部分風場運行風電葉片事故分析,葉片粘接開裂問題最多,因此粘接質(zhì)量是影響葉片質(zhì)量的重要因素。風電葉片在生產(chǎn)制造過程中會產(chǎn)生脫粘、缺膠、分層和夾雜等典型缺陷。脫粘缺陷主要是指葉片前后緣、大梁與腹板未被粘上的區(qū)域。缺膠缺陷主要是由于粘接劑用量不足造成的;分層缺陷是層板中不同層之間存在的局部的明顯分離;夾雜缺陷的產(chǎn)生主要是由于加工過程中的異物混入[6]。風電葉片的前緣為膠接結(jié)構(gòu),并且膠接過程為盲粘,將會不可避免地出現(xiàn)脫粘或缺膠等缺陷。目前,風電葉片前緣的檢測存在的主要困難有:多層結(jié)構(gòu);厚度范圍變化大;由各向異性的復(fù)合材料構(gòu)成;外形為弧面,一般的平面復(fù)合材料檢測無法適用[7]。實際中,葉片前緣粘接位置有脫粘、粘結(jié)力不足等問題。常規(guī)的例行檢測一般是采用目視法和敲擊法,這兩種方法要求檢測人員具有豐富的經(jīng)驗,準確性難以控制[8]。針對風電葉片前緣的結(jié)構(gòu)特性,本文提出采用超聲脈沖反射法來檢測其膠接缺陷。

          2超聲波檢測原理

          超聲脈沖反射法是由超聲波探頭發(fā)射脈沖到工件內(nèi)部,通過分析探頭接收的反射波信號對缺陷進行識別、定位的。圖2是超聲脈沖反射法的基本原理圖,超聲波換能器向工件發(fā)射脈沖,當脈沖遇到缺陷界面時會發(fā)生反射,在始脈沖與底波之間出現(xiàn)缺陷回波。然后通過完好位置與缺陷位置接收反射回波的時間與幅值對比,來進行缺陷的判斷與識別[9]。針對復(fù)合材料超聲散射造成的界面波及雜波較多、衰減嚴重的問題,本文擬采用雙晶縱波直探頭來進行風電葉片的檢測。雙晶探頭由兩個壓電晶片并排安裝在聲延遲塊上并用隔聲板隔開,從而發(fā)射脈沖未能進入放大器,克服了阻塞現(xiàn)象,使盲區(qū)大大減小。其一發(fā)一收的結(jié)構(gòu)特點,消除了發(fā)射壓電晶片與延遲塊之間的反射雜波,提高了信噪比。雙晶探頭能較好地應(yīng)用于像奧氏體不銹鋼和復(fù)合材料等強衰減材料的超聲檢測[10,11]。雙晶縱波直探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖3可以看出,雙晶探頭在工件中聲束交叉形成ABCD菱形區(qū),其交叉覆蓋的區(qū)域即為雙晶探頭的探傷區(qū),在菱形區(qū)域內(nèi)雙晶探頭具有較高的檢測靈敏度。根據(jù)不同探測深度的要求可選擇不同入射角α,工件中有效探測區(qū)域中心到檢測表面的距離F可用下面公式表示:F=L-HtanαtanarcsinCL2sinαCL1()[](1)式中,L為晶片中心到楔塊底面的高度;H為晶片中心到隔聲層的距離;α為入射角;CL1和CL2分別為有機玻璃聲速和被測工件縱波聲速[12]。

          3風電葉片前緣超聲仿真

          在進行實際檢測之前,先采用CIVA軟件進行仿真模擬驗證超聲檢測方法在該材料中的可行性。CIVA是法國原子能委員會開發(fā)的無損檢測NDT專業(yè)仿真軟件,主要包括超聲、渦流和射線三個模塊,對于超聲波探頭的設(shè)計和檢測工藝的制定具有很好的指導(dǎo)作用[13]。在超聲模塊中,通過鉛筆模型法來計算聲束的傳播,并通過基爾霍夫定律和幾何衍射理論來近似計算缺陷響應(yīng)[14]。風電葉片前緣為三層結(jié)構(gòu):上下兩層復(fù)合材料通過中間結(jié)構(gòu)膠粘接在一起。葉片前緣厚度約為18mm,其中膠層厚度約為10mm。在葉片前緣上設(shè)計平底孔來模擬脫粘缺陷。CIVA仿真超聲檢測葉片前緣3D仿真模型如圖4所示。超聲頻率高時,波長短,聲束指向性好,擴散角小,能量集中,發(fā)現(xiàn)缺陷能力強,分辨力高,定位準確。但高頻率超聲波在材料中衰減大,穿透能力差[15]。使用仿真軟件分別對探頭頻率為0.5MHz、1MHz、2.5MHz的雙晶探頭進行測試。采用不同頻率的探頭分別對同一缺陷進行掃查,掃查得到圖5,結(jié)果表明,不同頻率的探頭采用垂直線性掃查葉片前緣弧面都能檢測到缺陷。圖5對比了不同頻率下雙晶探頭的回波幅值和回波寬度,可以看出,頻率越高,衰減越嚴重,檢測靈敏度下降,但頻率太低,分辨力又較差。因此,本研究選用1MHz的雙晶縱波直探頭。

          4風電葉片前緣檢測試驗

          試驗試塊為風電葉片前緣截取的一部分,在需要檢測的'部位加工出一定尺寸的圓形平底盲孔來模擬脫粘缺陷。試塊如圖4(b)所示。試塊為三層結(jié)構(gòu),上下兩層復(fù)合材料通過結(jié)構(gòu)膠粘接成一體,三層厚度分別約為3.2mm、10.0mm、5.0mm。在試塊上層玻璃纖維復(fù)合材料底部挖一個直徑為10mm的平底盲孔,在第二層膠層的底部加工同樣尺寸的平底盲孔作為脫粘缺陷。采用超聲波檢測儀、示波器以及設(shè)計的雙晶直探頭在葉片前緣試塊上進行試驗。試驗結(jié)果如圖6所示,縱坐標表示回波幅值,用mV表示。橫坐標為傳播時間,用μs表示。圖6中的三幅波形圖都是在同一檢測條件下測得的。圖6(a)為無缺陷時的回波;圖6(b)為第一層與第二層層間脫粘缺陷回波;圖6(c)為第二層與第三層層間脫粘缺陷回波。由圖6可知,葉片一、二層間的脫粘,回波明顯,幅值達到139mV,是無缺陷回波時的2倍,見圖6(b);葉片二、三層間脫粘時,二、三層間回波較為明顯,幅值達到119mV,是無缺陷回波的2.05倍,見圖6(c)所示。通過對比完好界面與界面脫粘的超聲檢測圖像得到波高差,即可判斷復(fù)合材料是否存在脫粘缺陷。當葉片層間界面脫粘缺陷回波高于界面良好時的回波的2倍時,則可認為該層間存在脫粘缺陷.

          5結(jié)束語

          本文采用的超聲檢測方法能夠有效地檢測出風電葉片前緣膠接結(jié)構(gòu)缺陷,同時制作了試塊方便檢測的校準和驗證。CIVA仿真軟件能夠預(yù)測葉片中的超聲響應(yīng)及頻率特性,顯示了超聲仿真軟件在檢測幾何形狀復(fù)雜的工件時的重要性。頻率為1MHz的雙晶縱波直探頭在葉片檢測方面表現(xiàn)出較好的效果,在完好位置與缺陷位置上有明顯的區(qū)分信號。檢測結(jié)果表明,窄脈沖高分辨率的雙晶探頭獲得的缺陷回波明顯,可以完成葉片前緣膠接結(jié)構(gòu)的檢測。

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