風能展技術論壇（一）—風電葉片用環(huán)氧結構膠疲勞性能研究
2013年10月17日，北京國際風能暨展覽會—風電技術論壇。國家玻璃鋼制品質量監(jiān)督檢驗中心張林文主任介紹：風電葉片用環(huán)氧結構膠疲勞性能研究。以下是全文：
張林文：大家上午好!給大家介紹一下關于風機疲勞性能測試的研究。主要做的是環(huán)氧結構膠的這種，對于葉片來說需要很多材料需要進行疲勞測試，在這兒僅僅以結構膠的疲勞測試為例。
匯報分四個方面的內容：
一、疲勞測試的目的
二、目前測試的現(xiàn)狀
三、疲勞測試實驗過程介紹
四、疲勞試驗結論
一、疲勞測試目的：材料的規(guī)范、研究和開發(fā)、質量保證、結構設計和分析、材料認證需要。這是疲勞測試的目的，但是有一個原因，大家都知道我們國家風電葉片這幾年發(fā)展的非?？?，但是中間出了很多問題，為什么出現(xiàn)這些問題?我自己的觀點可能不太成熟，可能是因為我們前期發(fā)展太快，關于材料各方面基礎工作做的不夠，其中就有關于疲勞性能的研究不足。因為葉片是在動態(tài)條件下進行的，但是我們目前國內的一些葉片使用的材料僅僅是一些靜態(tài)的性能，沒有考慮到所謂的疲勞性能。所以說就出現(xiàn)了很多問題。昨天也是一個風電公司，到我們那里去，交流一些問題。當時也是說葉片有斷的等等這樣的問題。歸納起來原因我認為就是沒有對疲勞性能研究是有很大的原因的。
關于葉片材料疲勞測試有幾類：第一個就是關于對樹脂和纖維的測試。樹脂和纖維是做葉片兩個主要的材料，對它的疲勞測試是一種樹脂配少一種纖維，做復合材料的測試。主要是拉伸疲勞和壓壓疲勞，彎曲少一些。第二類比較多的就是泡沫、清末，是小結構疲勞，一般采用彎曲疲勞測試。從國外了解來看，基本還不是所謂的采用國內的三點彎曲，是采用四點彎曲。據(jù)說這種彎曲考慮了一部分剪切的原因，所以說基本都是采用四點彎曲去做的。
第三類的材料做疲勞測試的就是結構膠，因為我們發(fā)現(xiàn)葉片出現(xiàn)問題、出現(xiàn)失效，很多都是粘接過程中開裂，出現(xiàn)問題。這本身是靜態(tài)材料的性能才可以，或者說因為我們要求的時候，各個廠家的要求，對材料性能特點要求比較高。不管是強度還是能量要求都比較高。但是實際上往往忽視了材料的疲勞性能，所以這種粘接劑疲勞對整個葉片材料來說也是非常重要的。粘接劑疲勞廠家應該要補上這堂課，這種疲勞一般就是拉剪。
為什么要進行這種測試?意義是什么?我們前期發(fā)展太快，一些工作做的不夠，需要補課，這是第一。第二，目前葉片大型化發(fā)展，它對設計過程中對材料的要求更高。再一個，以前葉片出現(xiàn)的問題，一般都是葉片要是20年的使用周期。但是從08年大規(guī)模發(fā)展到現(xiàn)在也就5年的時間，都會出現(xiàn)大量葉片非正常非壽命周期斷裂或者其他的問題，肯定有多種多樣的原因。
第三個是關于認證的需求。比如說GL認證、Aerodyn等。
第四個是關于對葉片性能全面的評價。因為真正的材料葉片做的好不好，能不能長期可靠的使用，更重要的是材料綜合評價，而不是靜態(tài)的。
所以說希望疲勞測試能引起大家的重視。
我們今天以結構膠作為疲勞測試的案例，因為結構膠是葉片重要組成部分，出現(xiàn)問題對整個葉片會出現(xiàn)影響。另外目前國內的這種結構膠主要有幾類。第一個是環(huán)氧類的，第二個是聚氨酯或者乙烯基的，主要以環(huán)氧類為主。目前測試的狀態(tài)國內一般的是按照國標27595這個標準來測，它是等同ISO標準。國外的標準有復合材料疲勞測試標準，但是對于膠的來說，我們一般都是按照這兩個去做。第一個，標準就用9664，測試的分析就用E739去做。
我們這次采用拉拉疲勞單項剪切進行測試，整個實驗是我們和南京海拓公司一起合作來做的，我們采用了他們的Lica600認證，現(xiàn)在一些葉片公司也在大量的采用，我們把它作為一個主要材料，其實我們還有其他幾個廠家進行了對比。采用的設備是采用INSTRON的實驗機。
首先要做試樣，為了能夠保證疲勞試驗可靠度，這樣就需要在做試樣的時候盡可能的多，因為試樣的過程對整個疲勞的結果是有很大的影響的。先做它的靜態(tài)性能，把這個指標用于后臺疲勞試驗的指標來用。我們了解到，國內做環(huán)氧結構膠靜態(tài)的拉剪強度有比較高的，但是疲勞性能可能過不了。
疲勞實驗方法是按照9664的標準來做，設定平均應力值是35%，頻率為30Hz。先做1000萬次的疲勞測試，最后做剩余應力結果，通過做30Hz，震幅2兆帕，最終達到85.6%，說明疲勞性能還是不錯。
有哪些對疲勞性能會有影響：第一是材料的組分，第二個就是破壞方式的影響。破壞方式正常的話，應該是膠層的破壞才算合理，第三個是膠層的厚度。道理上講膠層厚度越薄越能反應情況，因為膠層厚了缺陷會增多。但是也有一個限制，不可能太低，和我們實際使用的時候膠層厚度要能夠一致。增韌劑比例一般不能大于10%，大于10%它的疲勞也會受影響，一般是7%到10%左右最合適,從5%到10%的時候疲勞性能隨著增韌劑的添加逐漸提高，繼續(xù)添加就過于軟了。
破壞方式，我們認為一般的中間膠層的破壞是比較合理的，而且這種結果更接近真實的結果。另外膠層厚度，我們選用了四種厚度，0.2、0.5、1.2、1.8，膠層越薄越好，但是因為操作的原因，不可能太薄，一般0.5是最合適的。
表征：是采用階梯法的形式，標準就是按照9664的標準來做。采用圖紙震度是35%的水平，沒有通過就降低0.2兆帕，通過了就提高0.2兆帕。
通過實驗，按照公式，計算一下疲勞極限和最后的偏差，同時做S-N曲線。我們做這個實驗是95%的情況下的結果，所有的數(shù)據(jù)應該是在2倍的西格瑪區(qū)間內。
做出S-N曲線擬合以外，外推1000萬次，和實際1000萬測試結果兩個進行比較，兩者之間是比較吻合的。我們在測試的時候，為什么會采用30Hz，為什么采用那么大的頻率，他們大的振幅，這是根據(jù)我們在葉片上用的膠的情況設定的，當頻率一定的時候，振幅越低次數(shù)越多一些，我們還是選擇了相對比較高的頻率30Hz，一般材料都是20Hz左右在做，做高頻的可能會發(fā)熱，做膠來說做30Hz還可以。
通過這個實驗得到一些結論：
疲勞性能受到很多因素的影響，主要是膠本體的性能，包括采用不同的機體和材料的影響。
第二個就是試樣制備的過程。希望能夠在做這種實驗的時候盡可能多的同一批次的試樣多做一些，避免不同批次試樣結果的差別，導致實驗結果的逼真。
第三個就是破壞的形式的影響。如果不是正常的破壞形式，結果也會有很大的影響。另外這種實驗通過S-N曲線做出的結果進行外推，和實際1000萬次擬合結果基本一致。
我們這次進行測試的南京海拓結構膠效果還是非常好的，它的疲勞性能還是非常良好的。
建議：為了葉片結構設計和使用安全性，需要對環(huán)氧結構膠進行疲勞測試，葉片相關認證部門和設計部門應將結構膠疲勞性能納入考慮范圍中。今后可能納入考核認證中，這樣對葉片安全更有意義。謝謝大家!
