[發明專利]復合材料風電葉片損傷的修復與修復后結構健康監測方法

有效

• 申請號: 202011143739.X
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112373072B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 張璐;曲曉強;盧少微;林倫洋;王曉強;盧堯;趙子平;呂伯超
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: B29C73/24
• 分類號: B29C73/24;B29C73/26;B29C73/12;B29C37/00;B29L31/08
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 吳瓊

一種復合材料風電葉片損傷的修復與修復后結構健康監測方法，屬于風電葉片技術領域；具體包括：1，檢測法確定損傷區域的位置和形狀，打磨拋光，設計損傷區域的階梯式錯茬打磨方案；2，在錯茬打磨區域制備MXene/CNT傳感器，在傳感器長度方向兩端設置電極，得到微納米傳感器；使微納米傳感器陣列在損傷底部和原始纖維布的錯茬區域，總共布置2n個傳感器；3，按照原鋪層設計鋪設n+6+2層纖維布；4，采用真空袋壓成型工藝進行修復；5，在葉片工作時采用微納米傳感器進行實時監測，通過傳感器反饋的數據圖像，發現裂紋，并根據各傳感器之間的數據對比，確定裂紋出現的位置與深度。

技術領域

本發明屬于風電葉片技術領域，具體涉及一種復合材料風電葉片損傷的智能修復與修復后結構健康監測方法。

背景技術

風力發電是指把風的動能轉為電能。風能是一種清潔無公害的可再生能源，很早就被人們利用，利用風力發電非常環保，且風能蘊量巨大，因此日益受到世界各國的重視。葉片作為風力機的核心部件之一，故障發生率高，葉片損壞、折斷等事故也不乏見，直接影響著發電量的高低，間接影響著經濟和社會效益。利用纖維布錯茬鋪設修復復合材料風電葉片結構的方法可有效抑制現有損傷的擴展，提高結構的使用壽命和使用安全性。相比于傳統鉚固修復技術，纖維布錯茬鋪設修復復合材料的技術具有應力傳遞平穩、避免附加應力集中的特點，并具有優異的疲勞與損傷容限性能，同時在風電葉片結構曲面處易于施工。但葉片修復結構在長時間服役過程中仍有較高的損壞風險，分層與脫粘破壞為復合材料修復部位的主要損傷模式。當葉片修復區域損傷被發現時，往往都是外部出現了明顯的裂痕，而此時內部已經造成嚴重損傷，極有可能導致葉片報廢造成極大經濟損失。

為了避免上述情況的出現，需要對風電葉片修復區域進行實時的工作狀態監測、損傷監測和剩余壽命估計來預測報警故障，保障葉片壽命，從而提高風力機的整體可靠性，因此對修復區域進行健康監測十分必要。目前最常用的修復結構健康監測方法有導波壓電陶瓷傳感器和光纖光柵傳感器等。其中光纖光柵傳感器具有尺寸小、精度高、穩定性好等特點，被認為最適用于復合材料的工作狀態監測，但是其尺寸與纖維直徑相比仍大了近兩個數量級，當作為傳感元件埋入復合材料時，這無疑是在復合材料中引入了缺陷。同時光纖光柵傳感器還存在成本高、監測區域有限等不足，這些都限制了其在工程中的應用。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種復合材料風電葉片損傷的智能修復與修復后結構健康監測方法，能在裂紋擴展初始就能使得風電葉片自檢到損傷，實現結構損傷的早期預警，并無需停機即可實現葉片服役過程的在線監測，實時輸出葉片結構的健康狀態，如葉片結構薄弱部位裂紋萌生與擴展及葉片動力特性的變化，防止葉片損傷區域進一步擴大化。

本發明所述復合材料風電葉片由玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料通過真空輔助樹脂灌注成型工藝制造而成，損傷部位必須按照原鋪層設計選用相同類型的纖維布進行修補，第n+1層需與第n層纖維布類型相同，修補用的樹脂膠液和修補后表面涂層必須與原待修區域所用樹脂膠液和表面涂層相一致，該復合材料風電葉片損傷的智能修復與修復后結構健康監測方法，包括以下步驟：

步驟1：用超聲波檢測法確定損傷區域的位置和形狀，將損傷區域的葉片漆面及蒙皮層打磨拋光，設計損傷區域的階梯式錯茬打磨方案；

步驟2：使用中間帶有長和寬的比為2：1的矩形孔洞模具，在錯茬打磨區域制備MXene/CNT傳感器，傳感器的長度方向沿錯茬打磨區域的長度方向，在傳感器長度方向兩端設置電極，即得到微納米傳感器；使微納米傳感器陣列在損傷底部和原始纖維布的錯茬區域，總共布置2n個傳感器；其中n≥1，n為整數；

步驟3：按照原鋪層設計鋪設n+6+2層纖維布；依次先鋪設n層原始纖維布，然后鋪設6層補強層纖維布，最后鋪設2層外蒙皮層纖維布；

步驟4：采用真空袋壓成型工藝進行修復，此時微納米傳感器將充分浸潤樹脂，從而傳感器與修復區域實現一體化成型，實現葉片的智能化修復；