基于声发射技术的风电叶片疲劳损伤监测研究

【摘要】：风能作为一种绿色无污染的新能源,日益受到重视,将成为未来人类社会赖以生存和发展的主要能源资源之一,风电产业具有广阔而美好的前景。然而风电机组的安全性问题是影响风力发电效率的一个重要因素,特别是风电叶片,长期在自然环境恶劣的风场运行更容易出现故障。叶片一旦出现严重损伤,修复工作异常艰难,而且会降低风电机组的工作效率,也给企业造成巨大的经济损失。因此,对风电叶片进行安全性监测,并对灾难提前预警意义重大。声发射技术是一种新兴的无损检测技术,对动态缺陷敏感,它可以监测并记录外加载荷下材料内部缺陷的发展状况,评价缺陷的实际危害程度,越来越多地被用于风电叶片的结构健康检测。本课题在充分了解风电叶片常出现的质量问题和声发射技术在国内外发展状况的基础上,将声发射技术应用于风电叶片的结构健康检测。重点研究了风电叶片在不同疲劳程度的声发射特性和损伤状况。课题的内容包括声发射信号在风电叶片复合材料中的衰减特性研究,纤维断裂缺陷对玻璃纤维复合材料力学性能的影响,以及风电叶片在疲劳加载过程中的声发射监测。结果表明:声发射波垂直于纤维方向传播过程中,由于纤维-树脂循环界面的存在,使得声发射波更容易出现衰减,横向衰减比纵向衰减快很多;表面纤维断裂的材料的拉伸强度为1095MPa,拉伸模量为0.388GPa;无纤维断裂的玻璃纤维复合材料拉伸强度为1530MPa,拉伸模量为0.624GPa。表面纤维断裂的试样在拉伸各阶段的声发射信号均为突发型信号,幅度在80~90dB的信号具有最大的能量,为3.2×104~3.3×104mv*μs;持续时间最长,为2.4×104μs;振铃计数为3.4×104个。无纤维断裂试样拉伸各阶段的声发射信号为连续型信号,损伤最严重时的声发射信号幅度集中在70~80dB,这些的信号的能量、持续时间和振铃计数都具有最大值,分别为5.0×104mv*μs、4.75×104μs和4.3×104个,这些信号预示着纤维/基体脱粘、纤维断裂等严重的损伤;在叶片疲劳损伤监测中,叶片摆振20万次时已经有裂纹萌生,典型的裂纹信号频率有40kHz和80kHz,信号的幅值和能量都较低。循环载荷累积到180万次时,裂纹处于快速扩展状态,还出现了腹板小范围开胶和纤维分层等典型的疲劳损伤特征,此时声发射信号的幅值和能量都较高。本课题的研究结果表明,采用声发射技术可以有效检测风电叶片及玻璃纤维复合材料的损伤状况。根据声发射信号的参数分析和波形分析结果可以很好地对声发射源进行评价。 【关键词】：声发射 风电叶片 衰减 拉伸 疲劳
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315;TB302.5
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景及意义10-15
• 1.1.1 课题研究背景10-14
• 1.1.2 研究意义14-15
• 1.2 风电叶片的安全性检测15-17
• 1.2.1 风电叶片的结构及其常见缺陷15-16
• 1.2.2 风电叶片的无损检测16-17
• 1.3 声发射检测技术在国内外的研究现状17-18
• 1.4 研究内容和意义18-19
• 1.4.1 研究内容18-19
• 1.4.2 风电叶片动态监测的意义19
• 1.5 本章小结19-20
• 第2章 声发射技术简介20-25
• 2.1 声发射技术基本原理20
• 2.2 声发射技术的特点20-21
• 2.3 声发射信号处理方法21-23
• 2.3.1 声发射信号的参数分析法21-22
• 2.3.2 声发射波形分析法22-23
• 2.4 声发射信号的降噪处理23
• 2.5 本章小结23-25
• 第3章 风电叶片复合材料的声发射信号衰减特性研究25-36
• 3.1 声发射波的传播特征25-28
• 3.1.1 声发射波的传播模式25-26
• 3.1.2 声发射波的反射、折射和波形转换26-27
• 3.1.3 声发射波传播速度27
• 3.1.4 声发射波的衰减27-28
• 3.2 风电叶片复合材料的声发射信号衰减研究28-36
• 3.2.1 衰减实验目的28
• 3.2.2 实验系统及参数设置28-29
• 3.2.3 实验方案29
• 3.2.4 实验结果分析29-34
• 3.2.5 本章小结34-36
• 第4章 风电叶片复合材料在拉伸实验中的声发射特性研究36-47
• 4.1 实验目的36
• 4.2 实验系统及方案36-45
• 4.2.1 实验材料36
• 4.2.2 实验设备及仪器36-37
• 4.2.3 数据采集系统参数设置37
• 4.2.4 实验方案37
• 4.2.5 实验结果分析37-45
• 4.3 本章小结45-47
• 第5章 风电叶片疲劳过程中的声发射特性研究47-55
• 5.1 实验目的47
• 5.2 风电叶片疲劳加载方案47
• 5.3 声发射检测方案47-48
• 5.4 实验结果分析48-55
• 5.4.1 声发射信号的小波分析48-51
• 5.4.2 声发射信号的Hilbert-Huang变换51-54
• 5.4.3 本章小结54-55
• 结论与展望55-57
• 1.课题研究的主要结论55-56
• 2.展望56-57
• 参考文献57-61
• 致谢61-62
• 附录A 攻读硕士期间发表的论文62

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