复合材料风电叶片损伤的修复与修复后结构健康监测方法技术

一种复合材料风电叶片损伤的修复与修复后结构健康监测方法，属于风电叶片技术领域；具体包括：1，检测法确定损伤区域的位置和形状，打磨抛光，设计损伤区域的阶梯式错茬打磨方案；2，在错茬打磨区域制备MXene/CNT传感器，在传感器长度方向两端设置电极，得到微纳米传感器；使微纳米传感器阵列在损伤底部和原始纤维布的错茬区域，总共布置2n个传感器；3，按照原铺层设计铺设n+6+2层纤维布；4，采用真空袋压成型工艺进行修复；5，在叶片工作时采用微纳米传感器进行实时监测，通过传感器反馈的数据图像，发现裂纹，并根据各传感器之间的数据对比，确定裂纹出现的位置与深度。确定裂纹出现的位置与深度。

【技术实现步骤摘要】
复合材料风电叶片损伤的修复与修复后结构健康监测方法


[0001]本专利技术属于风电叶片
，具体涉及一种复合材料风电叶片损伤的智能修复与修复后结构健康监测方法。

技术介绍

[0002]风力发电是指把风的动能转为电能。风能是一种清洁无公害的可再生能源，很早就被人们利用，利用风力发电非常环保，且风能蕴量巨大，因此日益受到世界各国的重视。叶片作为风力机的核心部件之一，故障发生率高，叶片损坏、折断等事故也不乏见，直接影响着发电量的高低，间接影响着经济和社会效益。利用纤维布错茬铺设修复复合材料风电叶片结构的方法可有效抑制现有损伤的扩展，提高结构的使用寿命和使用安全性。相比于传统铆固修复技术，纤维布错茬铺设修复复合材料的技术具有应力传递平稳、避免附加应力集中的特点，并具有优异的疲劳与损伤容限性能，同时在风电叶片结构曲面处易于施工。但叶片修复结构在长时间服役过程中仍有较高的损坏风险，分层与脱粘破坏为复合材料修复部位的主要损伤模式。当叶片修复区域损伤被发现时，往往都是外部出现了明显的裂痕，而此时内部已经造成严重损伤，极有可能导致叶片报废造成极大经济损失。
[0003]为了避免上述情况的出现，需要对风电叶片修复区域进行实时的工作状态监测、损伤监测和剩余寿命估计来预测报警故障，保障叶片寿命，从而提高风力机的整体可靠性，因此对修复区域进行健康监测十分必要。目前最常用的修复结构健康监测方法有导波压电陶瓷传感器和光纤光栅传感器等。其中光纤光栅传感器具有尺寸小、精度高、稳定性好等特点，被认为最适用于复合材料的工作状态监测，但是其尺寸与纤维直径相比仍大了近两个数量级，当作为传感元件埋入复合材料时，这无疑是在复合材料中引入了缺陷。同时光纤光栅传感器还存在成本高、监测区域有限等不足，这些都限制了其在工程中的应用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种复合材料风电叶片损伤的智能修复与修复后结构健康监测方法，能在裂纹扩展初始就能使得风电叶片自检到损伤，实现结构损伤的早期预警，并无需停机即可实现叶片服役过程的在线监测，实时输出叶片结构的健康状态，如叶片结构薄弱部位裂纹萌生与扩展及叶片动力特性的变化，防止叶片损伤区域进一步扩大化。
[0005]本专利技术所述复合材料风电叶片由玻璃纤维增强环氧树脂复合材料通过真空辅助树脂灌注成型工艺制造而成，损伤部位必须按照原铺层设计选用相同类型的纤维布进行修补，第n+1层需与第n层纤维布类型相同，修补用的树脂胶液和修补后表面涂层必须与原待修区域所用树脂胶液和表面涂层相一致，该复合材料风电叶片损伤的智能修复与修复后结构健康监测方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：用超声波检测法确定损伤区域的位置和形状，将损伤区域的叶片漆面及蒙皮层打磨抛光，设计损伤区域的阶梯式错茬打磨方案；
[0007]步骤2：使用中间带有长和宽的比为2：1的矩形孔洞模具，在错茬打磨区域制备MXene/CNT传感器，传感器的长度方向沿错茬打磨区域的长度方向，在传感器长度方向两端设置电极，即得到微纳米传感器；使微纳米传感器阵列在损伤底部和原始纤维布的错茬区域，总共布置2n个传感器；其中n≥1，n为整数；
[0008]步骤3：按照原铺层设计铺设n+6+2层纤维布；依次先铺设n层原始纤维布，然后铺设6层补强层纤维布，最后铺设2层外蒙皮层纤维布；
[0009]步骤4：采用真空袋压成型工艺进行修复，此时微纳米传感器将充分浸润树脂，从而传感器与修复区域实现一体化成型，实现叶片的智能化修复；
[0010]步骤5：在叶片工作时采用微纳米传感器进行实时监测，通过传感器反馈的数据图像，在发现裂纹后，由满负荷运转降为空载，并在1-2min内完成停机，阻止裂纹的进一步扩展而导致的危险性破坏，并根据各传感器之间的数据对比，确定裂纹出现的位置与深度。
[0011]上述的复合材料风电叶片损伤的修复与修复后结构健康监测方法，其中：
[0012]所述步骤1中，打磨方案须满足：
[0013]将损伤的最底部打磨成长方形以便于接下来的修补层和传感器的铺设，打磨操作所处环境的空气相对湿度≤75％；
[0014]每层单向布：在损伤区域周围打磨阶梯，沿损伤区域长度方向每层阶梯错茬打磨尺寸与层厚之比为100:1，维修层数较多可以沿损伤区域长度方向每层阶梯错茬打磨尺寸与层厚之比为50:1，沿损伤区域宽度方向每层阶梯错茬打磨尺寸与层厚度之比为30:1；
[0015]每层两轴向布：在损伤区域周围打磨阶梯，沿损伤区域长度方向和损伤区域宽度方向每层阶梯错茬打磨尺寸与层厚之比均为30:1；
[0016]每层三轴向布：在损伤区域周围打磨阶梯，沿损伤区域长度方向每层阶梯错茬打磨尺寸与层厚之比为50:1，沿损伤区域宽度方向每层阶梯错茬打磨尺寸与层厚之比为30:1。
[0017]所述步骤2中，制备MXene/CNT传感器的方法是利用专利CN 201911336931.8《一种用于监测复合材料液体成型工艺的传感器及制备方法》中的制备方法，本专利技术中的微纳米传感器可以根据布置区域情况任意改变形状和大小。
[0018]所述步骤3中，铺设的原始纤维布、补强层纤维布和外蒙皮层纤维布面积依次由大到小，其中n层原始纤维布按打磨面积错茬铺设，6层补强层纤维布和2层外蒙皮层纤维布在长度方向上均错茬50倍层厚，宽度方向上均错茬15倍层厚。
[0019]所述步骤4中，为了不影响复合材料风电叶片自身的力学性能，使微纳米传感器与复合材料修复区域一体化成型，克服传感器埋入复合材料中引入缺陷的问题，采用真空袋压成型工艺进行的同时，将树脂充分的浸润和填充到多孔隙的微纳米传感器内部结构中。
[0020]所述步骤5中，微纳米传感器与叶片修补区域一体成型，在叶片服役过程中任何内部微小的损伤，都会改变微纳米传感器的微观结构，进而产生可表现在图像上的传感器电阻变化。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的优点和有益效果在于：
[0022](1)本专利技术方法中的微纳米传感器成本低、易制造，厚度方向尺寸属微米级，并具有优异的树脂相容性，可与复合材料修复区域一体化成型，不影响整体叶片的力学性能，克服了传感器埋入复合材料中引入缺陷的问题。
[0023](2)本专利技术方法采用错茬阵列微纳米传感器的方法，在风电叶片的损伤修复后，可实时精确的监测修复后结构健康状态，避免力学性能较薄弱的叶片修复后区域由损伤累积和扩展而导致的潜在工程事故。
[0024](3)本专利技术使微纳米传感器与风电叶片修复区域一体化成型，实现修复构件智能化。利用微纳米传感器实时在线监测风电叶片修复后区域健康状态。利用阵列微纳米传感器的方法确定风电叶片修复后区域再次损伤位置。
附图说明
[0025]图1为本专利技术阶梯式错茬损伤区域修补打磨尺寸及微纳米传感器布置示意图；(a)单向玻璃纤维布，(b)两轴向玻璃纤维布，(c)三轴向玻璃纤维布。
[0026]图2为本专利技术实施例1中微纳米传感器监测叶片在拉伸载荷下的传感器电阻响应曲线。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料风电叶片损伤的修复与修复后结构健康监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：用超声波检测法确定损伤区域的位置和形状，将损伤区域的叶片漆面及蒙皮层打磨抛光，设计损伤区域的阶梯式错茬打磨方案；步骤2：使用中间带有长和宽的比为2：1的矩形孔洞模具，在错茬打磨区域制备MXene/CNT传感器，传感器的长度方向沿错茬打磨区域的长度方向，在传感器长度方向两端设置电极，即得到微纳米传感器；使微纳米传感器阵列在损伤底部和原始纤维布的错茬区域，总共布置2n个传感器；其中n≥1，n为整数；步骤3：按照原铺层设计铺设n+6+2层纤维布；依次先铺设n层原始纤维布，然后铺设6层补强层纤维布，最后铺设2层外蒙皮层纤维布；步骤4：采用真空袋压成型工艺进行修复，实现叶片的智能化修复；步骤5：在叶片工作时采用微纳米传感器进行实时监测，通过传感器反馈的数据图像，在发现裂纹后，由满负荷运转降为空载，并在1-2min内完成停机，阻止裂纹的进一步扩展而导致的危险性破坏，并根据各传感器之间的数据对比，确定裂纹出现的位置与深度。2.根据权利要求1所述的复合材料风电叶片损伤的修复与修复后结构健...

【专利技术属性】
技术研发人员：张璐，曲晓强，卢少微，林伦洋，王晓强，卢尧，赵子平，吕伯超，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：