基于声发射信号处理的风力机叶片损伤演化研究
发布时间：2021-02-07 11:56
叶片是风力机获取风能的关键部件,在叶片的生产过程中,往往因为其制作工艺的特殊,自动化程度不高,使生产出来的叶片存在内部缺陷,如褶皱、分层、缺胶等。由于这些随机分布的工艺缺陷存在,导致复合材料的疲劳破坏通常从缺陷处开始,并在随机交变应力作用下逐步扩展贯通成为宏观裂纹,继而逐步扩展到界面上引发疲劳损伤,对叶片结构造成破坏。考虑风电场大多位于偏远地区,存在维护、监测困难的问题,如果早期损伤未被及时发现,有可能在恶劣工况下发展为恶性事故而造成巨大的经济损失。因此,研究风力机叶片的损伤演化识别,对于保障叶片长时间安全运行具有重要意义。本文研究采用声发射技术对叶片复合材料损伤演化状态进行识别和预测,为风力机叶片健康状态监测提供新思路,论文的主要研究内容如下:（1）以损伤力学理论为基础,通过分析不同阶段损伤演化的能量耗散,建立了风力机叶片复合材料的损伤演化模型,从而明晰声发射能量耗散和复合材料损伤演化规律的关系。通过复合材料层合板Lamb理论讨论了不同类型的Lamb频散控制方程以及频散特性。利用声发射断铅实验分析了不同Lamb波传播方式,并讨论了不同损伤程度对Lamb波的影响,为损伤演化过程中声发射...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
风力机叶片剖面结构
沈阳工业大学博士学位论文18GFRP复合材料疲劳损伤具有两个明显特点：(1)损伤发生的中前期，材料中以随机分布的基体微裂纹为主，不存在均质材料中主裂纹扩展主导损伤演化的情况。(2)在复合材料层合板中，损伤沿一定方向扩展。例如，基体裂纹沿着纤维方向演化；分层损伤沿着层间界面演化。图2.1复合材料的疲劳损伤演化规律Fig.2.1Fatiguedamageevolutionofcompositematerials2.2声发射能量耗散模型2.2.1疲劳损伤能量耗散理论损伤演化是一个具有不可逆能耗特征的过程。结构其内部应变能和外部载荷引起的附加能使材料微观结构发生不可逆改变，当内部应变能的增长速率相当于表面能量的耗散速率时，应变能驱动宏观实际损伤形成。根据能量守恒定律，外界对材料所做的总机械功dW应等于材料所释放的弹性能dζ、材料以热能、声能等形式所消耗掉的耗散能dη、材料塑性变形、裂纹扩展、断裂的非弹性变形能dξ。因此，整个损伤演化过程的能量平衡为：dW=dζ+dη+dξ(2.7)外界载荷向材料输入的功属于机械功，它包括了弹性应变能和塑性应变能。弹性应变能即材料内部产生可逆弹性变形所储存的能量，而塑性应变能则为材料内部产生不可逆塑性变形而消耗的能量。因此，损伤演化过程中系统释放能量表达式为：
沈阳工业大学博士学位论文24对于无限大的板结构中，存在一维应变状态，当垂直于纵波传播方向上的板结构尺寸非常大时，存在一维应变状态。根据三维胡克定律，此时弹性应力波状态方程可表示为：{ζx=(λ+2μ)εxζy=λεyζτ=0(2.37)其中，λ和μ为Lamè系数，用弹性模量E与泊松比ν表示为：λ=Eν(1+ν)(1-2ν)μ=E2(1+ν)(2.38)将方程(2.38)带入波动控制方程中，可解得一维应变状态下的弹性波速为：CE=√(λ+2μ)ρ=√(1-ν)Eρ(1+ν)(1-2ν)(2.39)对于常见的GFRP复合材料，通常0＜ν＜0.5。对比式(2.36)和(2.39)可知，层合板复合材料内一维弹性应力波的纵波比横波传播速度快。2.3.2Lamb波理论GFRP复合材料Lamb波频散控制方程的求解过程主要包括：控制方程(2.40)、几何方程(2.41)和本构方程(2.42)[100]：ρ2u1t2=ζij,j+fi(i,j=1,2,3)(2.40)εij=12uij+12uji=12(ui,j+uj,i)i,j=(1,2,3)(2.41)ζij=Cijklεkl(2.42)以上三组方程中，ρ为GFRP复合材料密度，uij为应力波的质点位移矢量，ζij和εij分别代表应力和应变，Cijkl为GFRP复合材料刚度系数，i,j为复合材料坐标系中x、y、z轴方向。图2.2弹性微分体示意图Fig.2.2Schematicdiagramofelasticdifferentiation
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于AVMD和谱相关分析的风电机组轴承故障诊断[J]. 齐咏生,白宇,高胜利,李永亭. 太阳能学报. 2019(07)
[2]基于VMD-WVD分布与堆栈稀疏自编码网络的局放类型识别[J]. 高佳程,朱永利,郑艳艳,贾亚飞. 中国电机工程学报. 2019(14)
[3]真空辅助树脂灌注法制备风电叶片树脂的渗透及缺陷[J]. 武卫莉,陈丰雨. 复合材料学报. 2019(12)
[4]欠定盲源分离算法的研究现状及展望[J]. 王川川,曾勇虎. 北京邮电大学学报. 2018(06)
[5]一种新的谐波时频分解方法——K-S分解[J]. 滕召胜,王永,李建闽,姚文轩,唐求. 中国科学:技术科学. 2019(02)
[6]纤维增强树脂基复合材料国内外超声检测标准[J]. 王铮,何方成. 无损检测. 2018(11)
[7]纤维增强复合材料层合板分层扩展行为研究进展[J]. 赵丽滨,龚愉,张建宇. 航空学报. 2019(01)
[8]我国风能产业国际化发展环境分析与政策建议[J]. 杨金龙,牟新娣,刘晓亭,董纪昌. 科技促进发展. 2018(09)
[9]风电运维困局[J]. 周晓兰. 能源. 2018(08)
[10]复合材料损伤过程声发射信号聚类分析与压缩变形测量[J]. 赵文政,李敏,张燕南,周伟,岳斌. 玻璃钢/复合材料. 2018(06)
博士论文
[1]层状复合结构动态力学行为及应力波传播特性研究[D]. 杨震琦.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]基于疲劳损伤理论的复合材料胶接修补结构参数研究[D]. 李克楠.郑州大学 2017
[2]非线性Lamb波产生机理及材料早期损伤的评价指针[D]. 孙晓强.重庆大学 2017
[3]风电叶片在疲劳试验过程中的声发射监测研究[D]. 刘志涛.兰州理工大学 2017
[4]2MW大型风电叶片成型技术及工艺研究[D]. 陈玉辉.华北电力大学 2016
[5]基于时频分析的水声信号盲分离方法研究[D]. 陈思妤.哈尔滨工业大学 2016
[6]风电叶片分层缺陷演化的力学行为及声发射响应特性研究[D]. 李亚娟.河北大学 2015
[7]结合小波分析和BP神经网络的复合材料损伤检测技术研究[D]. 华生明.南京航空航天大学 2015
[8]碳/碳复合材料剪切损伤的超声评价[D]. 倪竞华.南昌航空大学 2011
本文编号：3022189
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
风力机叶片剖面结构
沈阳工业大学博士学位论文18GFRP复合材料疲劳损伤具有两个明显特点：(1)损伤发生的中前期，材料中以随机分布的基体微裂纹为主，不存在均质材料中主裂纹扩展主导损伤演化的情况。(2)在复合材料层合板中，损伤沿一定方向扩展。例如，基体裂纹沿着纤维方向演化；分层损伤沿着层间界面演化。图2.1复合材料的疲劳损伤演化规律Fig.2.1Fatiguedamageevolutionofcompositematerials2.2声发射能量耗散模型2.2.1疲劳损伤能量耗散理论损伤演化是一个具有不可逆能耗特征的过程。结构其内部应变能和外部载荷引起的附加能使材料微观结构发生不可逆改变，当内部应变能的增长速率相当于表面能量的耗散速率时，应变能驱动宏观实际损伤形成。根据能量守恒定律，外界对材料所做的总机械功dW应等于材料所释放的弹性能dζ、材料以热能、声能等形式所消耗掉的耗散能dη、材料塑性变形、裂纹扩展、断裂的非弹性变形能dξ。因此，整个损伤演化过程的能量平衡为：dW=dζ+dη+dξ(2.7)外界载荷向材料输入的功属于机械功，它包括了弹性应变能和塑性应变能。弹性应变能即材料内部产生可逆弹性变形所储存的能量，而塑性应变能则为材料内部产生不可逆塑性变形而消耗的能量。因此，损伤演化过程中系统释放能量表达式为：
沈阳工业大学博士学位论文24对于无限大的板结构中，存在一维应变状态，当垂直于纵波传播方向上的板结构尺寸非常大时，存在一维应变状态。根据三维胡克定律，此时弹性应力波状态方程可表示为：{ζx=(λ+2μ)εxζy=λεyζτ=0(2.37)其中，λ和μ为Lamè系数，用弹性模量E与泊松比ν表示为：λ=Eν(1+ν)(1-2ν)μ=E2(1+ν)(2.38)将方程(2.38)带入波动控制方程中，可解得一维应变状态下的弹性波速为：CE=√(λ+2μ)ρ=√(1-ν)Eρ(1+ν)(1-2ν)(2.39)对于常见的GFRP复合材料，通常0＜ν＜0.5。对比式(2.36)和(2.39)可知，层合板复合材料内一维弹性应力波的纵波比横波传播速度快。2.3.2Lamb波理论GFRP复合材料Lamb波频散控制方程的求解过程主要包括：控制方程(2.40)、几何方程(2.41)和本构方程(2.42)[100]：ρ2u1t2=ζij,j+fi(i,j=1,2,3)(2.40)εij=12uij+12uji=12(ui,j+uj,i)i,j=(1,2,3)(2.41)ζij=Cijklεkl(2.42)以上三组方程中，ρ为GFRP复合材料密度，uij为应力波的质点位移矢量，ζij和εij分别代表应力和应变，Cijkl为GFRP复合材料刚度系数，i,j为复合材料坐标系中x、y、z轴方向。图2.2弹性微分体示意图Fig.2.2Schematicdiagramofelasticdifferentiation
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于AVMD和谱相关分析的风电机组轴承故障诊断[J]. 齐咏生,白宇,高胜利,李永亭. 太阳能学报. 2019(07)
[2]基于VMD-WVD分布与堆栈稀疏自编码网络的局放类型识别[J]. 高佳程,朱永利,郑艳艳,贾亚飞. 中国电机工程学报. 2019(14)
[3]真空辅助树脂灌注法制备风电叶片树脂的渗透及缺陷[J]. 武卫莉,陈丰雨. 复合材料学报. 2019(12)
[4]欠定盲源分离算法的研究现状及展望[J]. 王川川,曾勇虎. 北京邮电大学学报. 2018(06)
[5]一种新的谐波时频分解方法——K-S分解[J]. 滕召胜,王永,李建闽,姚文轩,唐求. 中国科学:技术科学. 2019(02)
[6]纤维增强树脂基复合材料国内外超声检测标准[J]. 王铮,何方成. 无损检测. 2018(11)
[7]纤维增强复合材料层合板分层扩展行为研究进展[J]. 赵丽滨,龚愉,张建宇. 航空学报. 2019(01)
[8]我国风能产业国际化发展环境分析与政策建议[J]. 杨金龙,牟新娣,刘晓亭,董纪昌. 科技促进发展. 2018(09)
[9]风电运维困局[J]. 周晓兰. 能源. 2018(08)
[10]复合材料损伤过程声发射信号聚类分析与压缩变形测量[J]. 赵文政,李敏,张燕南,周伟,岳斌. 玻璃钢/复合材料. 2018(06)
博士论文
[1]层状复合结构动态力学行为及应力波传播特性研究[D]. 杨震琦.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]基于疲劳损伤理论的复合材料胶接修补结构参数研究[D]. 李克楠.郑州大学 2017
[2]非线性Lamb波产生机理及材料早期损伤的评价指针[D]. 孙晓强.重庆大学 2017
[3]风电叶片在疲劳试验过程中的声发射监测研究[D]. 刘志涛.兰州理工大学 2017
[4]2MW大型风电叶片成型技术及工艺研究[D]. 陈玉辉.华北电力大学 2016
[5]基于时频分析的水声信号盲分离方法研究[D]. 陈思妤.哈尔滨工业大学 2016
[6]风电叶片分层缺陷演化的力学行为及声发射响应特性研究[D]. 李亚娟.河北大学 2015
[7]结合小波分析和BP神经网络的复合材料损伤检测技术研究[D]. 华生明.南京航空航天大学 2015
[8]碳/碳复合材料剪切损伤的超声评价[D]. 倪竞华.南昌航空大学 2011
本文编号：3022189
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