基于CFRP蒙皮力阻响应的服役风机叶片健康监测机理研究

Based on the complexity of stress and strain state and the restriction of the working environment, a health monitoring method was put forward for the in-service wind turbine blades by the use of their own CFRP skins as sensors. This project focuses on the following two key problems: 1) The piezoresistive response mechanism of CFRP skin in complicated stress state; 2) The acquisition of near-field spectral data of the CFRP skin and the mapping relation between the structural service performance and it. Base on its functional properties, with configuration of several electrodes on its edges, the CFRP skin layer which covering the blade is transformed to a sensitive layer which is able to conduct field health monitoring. The resistance-strain mapping relation between the CFRP skin and the structure as well as the physical and mathematical mode of the sensitivity of the CFRP skin on the structural injury was obtained by the exploration on the CFRP piezoresistive response mechanism and its coupling relationship with structures. The near-field spectral data of the CFRP skin was acquired by electrical resistivity tomography (ERT) technology, and its relation to the structural service performance was revealed. Hence a novel method was established for wind turbine blades which can not only monitor the whole structural deformation in real time but also conduct field strain mode diagnosis. Such a method is characterized by self-sensing, field monitoring and visualization.

基于服役风机叶片的应力应变复杂性及其工作环境的制约性，提出以风机叶片自身的CFRP蒙皮层作为传感器的健康监测方法，并围绕2个核心问题开展研究：1）复杂应力下CFRP蒙皮的力阻响应机理；2）CFRP蒙皮的电场谱数据采集及其与结构力场的映射关系。利用材料的功能特性，在CFRP蒙皮周边布置若干个电极，将覆盖在结构表面的CFRP蒙皮层转变为可对叶片实施场域监测的敏感层。通过探索CFRP蒙皮的力阻响应机制及其与结构力场的耦合机理，导出CFRP蒙皮与结构间的电阻-应变映射关系，并建立CFRP蒙皮对结构损伤敏感度的物理数学模型；结合ERT技术实现CFRP蒙皮电场谱数据重构，并探究其电场响应与结构服役性能间的相互联系，由此建立一种既能对风机叶片的实时变形进行全面监控，又能对其应变模态实施场域诊断的新方法。其特点在于：1）以叶片材料自身的功能特性进行传感；2）适用于大面积场域监测；3）监测结果可视化。

本课题以服役风机叶片的健康自监测为目的，围绕复杂应力下CFRP蒙皮的力阻响应机理和CFRP蒙皮的电场谱数据采集及其与结构力场的映射关系这两个核心问题开展研究，主要工作和结论如下：.将碳纤维丝按不同角度粘贴在基体构件表面，通过四点弯曲实验考察了树脂基体中碳纤维单丝在多维应变场中的电阻变化规律。建立了碳纤维单丝对二维应变的力阻响应模型，并导出了碳纤维单丝对轴向拉、压应变的灵敏系数分别为1.82和1.64，对横向拉、压应变的灵敏系数分别为-0.1和-0.25。利用正交搭接的碳纤维束研究了碳纤维的界面力阻效应，结果反映出单向拉应力导致CFRP板中碳纤维的接触电阻变大，相对于隧道导电电阻的变化，界面电阻的变化在力阻效应中占主导地位。基于实验测得的相关力阻系数建立了CFRP蒙皮的力阻本构关系。.分析了CFRP等效电学模型中电流分布的的一般规律，研究了基体结构受力变形时CFRP蒙皮层的力阻响应机制。基于一阶剪切变形理论建立了含脱层裂缝的CFRP蒙皮-结构复合力学模型，推导了具有脱层裂缝层合梁的控制微分方程，并导出了结构的位移解及CFRP蒙皮电阻响应的理论公式。针对具有不同位置和尺寸损伤缺陷的CFRP蒙皮层合结构，采用有限元法分析了其在各种载荷作用下的CFRP响应，得到了CFRP蒙皮响应和结构损伤状态的映射关系样本库，采用神经网络技术实现了结构内损伤位置和尺寸的识别。.采用有限元法建立了给定边界电流激励下CFRP蒙皮边界上电位分布的计算方法。基于CFRP蒙皮的几何形状，采用MNR算法方法对其场域电阻率进行了反演，并通过正则化处理方法对反演结果进行了改进。利用该算法实现了风机叶片模型的变形监测。此外，采用升温和降温实验考察了温度变化对CFRP蒙皮传感性能的影响，碳纤维双向织物增强塑料的温敏系数约为-6.62×10-4/℃，且尺寸变化对温敏效应的贡献很小。.本文的研究结论有助于深刻理解CFRP力阻效应的形成机理并对服役风机叶片的健康监测提供了一种新的理论方法。