风电叶片大梁用拉挤板复合组件Ⅰ型层间断裂韧性测试研究_文治天.pdf

玻璃纤维2023 年 第 2 期 33测试分析中图分类号：TB332 文献标识码：A风电叶片大梁用拉挤板复合组件型 层间断裂韧性测试研究*文治天，谢梦媛，孙闪闪，郝郑涛，方允伟，冯冠铭，倪启凡（南京国材检测有限公司，南京210012）摘 要：通过两种方法制备了风电叶片大梁用拉挤板复合组件型层间断裂韧性试样即双悬臂梁（double cantilever beam，DCB）试样，并依据ASTM D5528进行试验，研究分析其断裂行为。实验结果表明，直接采用树脂进行复合的DCB试样会因内聚破坏和界面破坏的相互转换而导致非稳定扩展，进而使得应变能释放率迅速下降。含有导流织物的DCB试样其裂纹扩展较为稳定，匹配性较好导流织物可以提高I型层间断裂韧性（GIC）。采用有限元平台的内聚力模型（cohesive zone model，CZM）模拟含有导流织物试样的裂纹扩展过程，结果表明内聚力模型模拟结果与试验的一致性较好。在裂纹起始扩展阶段，界面增韧作用越强，对模拟影响越大，但当裂纹稳定扩展之后，界面的增韧作用基本不对内聚力模型模拟产生影响。关键词：拉挤板材复合组件；I型层间断裂韧性；导流织物；内聚力模型；有限元分析DeterminationofModeIInterlaminarFractureToughnessofPultrudedPanelsAssembliesUsedforWindTurbineBlades*WenZhitian,XieMengyuan,SunShanshan,HaoZhengtao,FangYunwei,FengGuanming,NiQifan(NanjingGuoCaiTestingCo.,Ltd,Nanjing210012)Abstract:Double cantilever beam(DCB)specimens were made from pultruded panels assemblies used for wind turbine blades by two methods.The mode I interlaminar fracture toughness was determined according to ASTM D5528 standard,and the fracture mechanics were analyzed.The experimental results showed that on the DCB specimens bonded with resin only,unstable crack growth occured due to the mutual conversion between cohesive failure and interface failure,and then the strain energy release rate decreased rapidly.On the DCB specimens containing fabrics as flow media,the crack growth was more stable,and the mode I interlaminar fracture toughness(GIC)was improved effectively when compatible flow media were used.The propagation of cracks on those specimens with flow media was simulated by finite element method using cohesive zone model(CZM).It showed that the simulation results of CZM were well agreed with the experimental results.The stronger the toughening effect,the greater the influence on the simulation at the beginning of crack propagation.But when the cracks grew stably,the toughening effect had little influence on the simulation of CZM.Key words:pultruded panels assemblies;mode I interlaminar fracture toughness;flow media;cohesive zone model;finite element analysis项目名称：中国建材集团攻关专项资助、特种纤维复合材料国家重点实验室应用基础研究专项资助项目编号：2021YCJS02收稿日期：2022-12-01修回日期：2023-02-01作者简介：文治天（1992），男，工程师，硕士。主要从事树脂基复合材料测试评价和标准化方面的研究。文治天，等：风电叶片大梁用拉挤板复合组件型层间断裂韧性测试研究DOI:10.13354/32-1129/tq.2023.02.001玻璃纤维2023 年 第 2 期 34测试分析0 前言在“双碳”背景下，2021年10月国务院印发的 2030年前碳达峰行动方案的通知中提出坚持陆海并重，推动风电协调快速发展，完善海上风电产业链，鼓励建设海上风电基地。风电迎来新的发展机遇。叶片大型化、轻量化能够降低风电运行成本，提高发电效率，已成为风电叶片行业发展的必然趋势。拉挤板作为一种纤维增强塑料，因其成型速率快、力学性好、耐环境变化性强等优点，正在逐步成为大型风电叶片大梁的主要解决方案。拉挤板在风电叶片大梁中的实际使用方式是将拉挤板多层铺叠放入真空模腔内（必要时加入导流织物），之后在真空环境下灌注树脂，实现拉挤板间的层层粘接，以该种方法形成的复合结构称为拉挤板复合组件。通过制备拉挤板复合组件可以提高大梁的生产效率，节约成本和时间，但拉挤板、树脂和导流织物间的匹配性不同，导致拉挤板复合组件在使用过程中容易因匹配性较差而产生脱粘分层风险，因此在生产过程中如何提高拉挤板复合组件的层间性能，目前正成为国内外主要研究机构和相关企业的研究热点。本文采用能很好反映复合结构层间性能的型层间断裂韧性来表征拉挤板复合组件的抗分层扩展能力。刘连学等1为测定碳玻混拉挤板的纤维质量分数和体积分数，通过煅烧法测定了玻纤质量分数和体积分数，结合浸渍法测定拉挤板密度和显微镜法测定空隙率的方式，建立了一套碳玻混拉挤板的纤维质量分数和体积分数的测试方法。师卓等2对风电叶片拉挤板的压缩测试进行了研究，并给出了推荐性方法。李文斌等3对比研究了风电叶片拉挤板的对接/搭接所能承受的弯曲性能，为叶片设计分析以及实际生产提供数据支持。刘世扬4通过采用单搭接方式对风电叶片拉挤板进行二次粘结并测定了拉伸剪切强度和等效剥离强度，分析了基板材质、中间辅助层处理、脱模布表面处理和树脂后固化程度对粘结强度的影响。王伟伟5认为风电叶片拉挤板中的纤维体积含量或纤维模量越高，拉挤板的拉伸和压缩性能越好。纤维含量对于I型断裂韧性的模拟，目前主要方式是虚拟闭合技术（VCCT）、有限元扩展方法（XFEM）和内聚力模型（CZM）三种6，其中内聚力模型理论起初由Barenblatt7和Dugdale8提出并被用于研究纤维增强塑料的分层损伤，该模型通过引入粘结域单元以模拟材料的非线性行为9。Heidari-Rarani10也对VCCT、XFEM和CZM在分层扩展中的应用进行了研究，发现这三种方法的计算成本基本一致，但CZM具有更高的模拟精度。Ding11等也认为CZM具有广泛的应用性，且验证了其在楔 插 式 双 悬 臂 梁（Wedge-insert double cantilever beam，WCB）法 测 定I型 断 裂 韧 性 中 的 适 用 性。Mi12等将载荷位移关系简化成为双线性曲线模型，而后Camanho13和Turon14等研究人员在此基础上依据连续介质损伤理论给出了更详细的双线性本构模型，ABAQUS基于此建立了独立内聚力 模型单元。对于风电叶片大梁用拉挤板复合组件的I型层间断裂韧性目前鲜有研究，而且也缺少相对应的测试标准，因此本文参考ASTM D5528通过双悬臂梁（DCB）试验方法对拉挤板复合组件的I层间型断裂韧性进行探讨性的测试研究。利用ABAQUS有限元软件中内聚力模型单元，建立可预测分层损伤的双悬臂梁模型，通过与实际试验结果比对验证模型的准确性，并对有限元结果进行分析。1 实验部分1.1 原材料玻璃纤维拉挤板，HM S1，江苏兆黎新材；环氧树脂，LT5078A/LT5078B-3，上海惠柏新材；导流织（平纹玻璃纤维布），EWR270，中国巨石。1.2 仪器设备万能材料试验机，3382型，美国INSTRON。文治天，等：风电叶片大梁用拉挤板复合组件型层间断裂韧性测试研究玻璃纤维2023 年 第 2 期 35测试分析文治天，等：风电叶片大梁用拉挤板复合组件型层间断裂韧性测试研究1.3 拉挤板复合组件DCB试样制备拉挤板复合组件DCB试样制备所用基板为风电叶片大梁用玻璃纤维增强塑料拉挤板，厚度为 5 mm。试样的制备采用两种方法，分别为方法A和B。方法A如图1所示，采用真空袋压方式在两层板材之间导入树脂进行复合制得预制复合组件，该试样为空白试样。方法B如图2所示，在板材铺设过程中，中间放置一层导流织物，在试样长度方向一端嵌入一层隔离膜，然后采用真空袋压方式导入树脂将上下两层板材进行复合制得预制复合组件，分别采用两种不同规格的导流织物研究分析样品的复合效果。方法A和方法B所用环氧树脂及固化条件如表1所示。预制复合组件制备完成后，依据ASTM D5528裁取试样，在试样端部粘接加载块，其中试样长度和宽度分别为200 mm和25 mm，嵌入膜长度约为63mm，加载块长度和厚度分别为20 mm和 10 mm，加载块中心孔径为5 mm。试样制备完成后，在侧面标记刻度，以此跟踪记录试验过程中的裂纹尖端位置。表1 树脂及固化条件树脂固化条件LT5078A/LT5078B-3=100/3045/6 h，80/8 h图1 方法A试样制备预制复合组件示意图拉挤板树脂隔离膜脱模布图2 方法B制备试样预制复合组件示意图拉挤板隔离膜导流织物+树脂脱模布1.4 DCB试验静态DCB试验在万能材料试验机上进行，采用1 mm/min的恒定速率加载，卸载速度为25 mm/min，试验过程如图3所示。试验时，先进行初始加载，产生新的初始裂纹，其裂纹长度超过隔离膜尖端5 mm左右，而后卸载。重新加载时，裂纹每扩展一定长度，记录相应载荷、位移和裂纹长度。试验数据采用修正梁理论（Modified Beam Theory，MBT）15计算GIC（临界能量释放率、分层起始及扩展阻抗），其计算公式如（1）和（2）所示，并绘制GIC随裂纹长度的变化曲线即分层-阻力曲线，又叫R曲线。GIC =3P F 2b(a+)N（1）N=1-(l2)3-9 1-(l2)2 l1-9 ()2 a 8 a a2 35 a （2）F=1-3 ()2 -2 (l1)10 a 3 a2 （3）式中：P载荷，W；加载位移，mm；b试样宽度，mm；a裂纹长度，mm；N和F加载块修正系数和大位移修正系数；图3 DCB试验过程玻璃纤维2023 年 第 2 期 36测试分析l1插销孔中心至试样中面距离，mm；l2插销孔中心至加载块边缘距离，mm；由试验所确定，采用线性回归法，对修正柔度立方根（C/N）1/3与裂纹长度a之间的关系进行线性拟合，当（C/N）1/3=0时对应的a即为，一般情况下0。1.5 DCB试验有限元建模在试样制备过程中树脂产生流动和真空袋压产生的压力作用下，制样所采用的导流织物和树脂对DCB试样的厚度和刚度影响较小，因此建立整体模型