CN114279354B - 风电叶片高湿度下用fbg高应变传递率粘贴布设方法 - Google Patents
风电叶片高湿度下用fbg高应变传递率粘贴布设方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种风电叶片高湿度下用FBG高应变传递率快速粘贴布设方法，包括：S1.表贴式FBG传感器结构：在基体上依次粘贴光纤、胶体和玻璃纤维预浸料，所述光纤中间为栅区；S2.粘贴方法：1）、模具的选择：选自一形模具、S形模具以及W形模具中的至少一种；2）、胶黏剂的选择：选自502胶、5210胶、353ND胶、乐泰环氧树脂胶中的至少一种；3）、粘贴参数的选择：粘贴宽度为11‑13mm，粘贴长度为80‑120mm；4）、粘贴方法为使用工具对传感器进行特定粘贴参数的粘贴。本发明使用模具对传感器进行粘贴，粘贴过程中使用乐泰环氧树脂胶并用玻璃纤维预浸料进行特定参数的覆盖粘贴保护。
Description
技术领域
本发明涉及风电叶片技术领域，具体涉及风电叶片高湿度下用FBG高应变传递率粘贴布设方法。
背景技术
大型风电叶片目前制作工艺都是通过人工铺层及合模，难以避免的在制作过程中出现微小缺陷，在其服役过程中由于所处环境恶劣，砂石、暴风、强降雨降雪会导致微小缺陷扩展，变成较为严重的缺陷同时也会使得叶片腔体内部出现冷凝水或积水，积水在叶片腔体内部长时间的附着对内部传感器产生极为严重的影响，因此对风电叶片进行一种耐湿性的结构健康监测具有重要意义。
目前研究人员对于风电叶片结构健康监测常用的方法主要有接触式与非接触式两种。传统的诸如应变片、位移或加速度传感器等接触式监测方法可以测得较为准确的应变或变形结果，但目前由于各种条件限制，这类传感器对于使用环境要求较高，在风场环境下脱落比例较高，目前多用于叶片设计研究与出厂检测中。而非接触式的监测大多采用无人机进行视觉图像处理监测方法，该方法虽然能实现非接触式监测，可进行全叶片完整扫查，图像显示较为清晰，但这种方法无法获得风电叶片内部实际应变或者载荷情况，仅能实现外部明显损伤的监测，无法进行损伤出现前的预警，同时存在叶片静止状态下因风摆动与叶片曲面造成的图像信息采集产生误差。
光纤光栅是一种光无源器件,通常是采用紫外线照射光纤，改变其折射率加工而成。光纤光栅具有体积小、不带电、不受电磁干扰、耐腐蚀、长期稳定等特点,采用波长标记，易进行波分复用，能够实现准分布式测量。当光纤光栅应变传感器受到应力时,波长就会发生变化,波长的变化量与应力的变化量成正比关系，可以通过检测光纤光栅应变传感器的波长变化算出叶片的应变量。但由于其为玻璃质地，在叶片旋转服役过程中发生光纤线断裂与粘贴脱落的事故较多，且使用过程中应变监测效果也易受到影响，因此急需一种耐疲劳的高应变传递率的粘贴方式。在叶片合模前，模具使用时间越长叶片制作成本越高，因此在布设过程中如何进行高效率的快速布设也是风电行业中亟需解决的问题。
发明内容
针对FBG应变传感器在风电叶片上的使用及现有技术的不足，本发明的技术方案提供风电叶片高湿度下用FBG高应变传递率粘贴布设方法，该方法包括胶体选择，粘贴参数的选择，以及粘贴布设工具与方式的设计。由于风电叶片粘贴布设传感器模具使用时间长会使单叶片制作成本升高，当叶片所处环境昼夜温差较大，湿度较高时，高湿度或叶片表面冷凝水会导致传感器灵敏度降低甚至胶粘剂失效脱粘，而采用所设计的工具以特定胶体进行特定粘贴参数粘贴布设可大幅度提高粘贴布设效率且在高湿度环境下传感器稳定使用，降低了叶片制作成本，有效解决了FBG应变传感器在风场叶片上使用过程中的问题，提高了应变
传感器的应变传递率，从而更好的对在役风电叶片进行结构健康监测。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供风电叶片高湿度下用FBG高应变传递率粘贴布设方法，包括：
S1.表贴式FBG传感器结构：在基体上依次粘贴光纤、胶体和玻璃纤维预浸料，所述光纤中间为栅区；
S2.粘贴方法：
1)、模具的选择：选自一形模具、S形模具以及W形模具中的至少一种；
2)、胶黏剂的选择：选自502胶、5210胶、353ND胶、乐泰环氧树脂胶中的至少一种；
3)、粘贴参数的选择：粘贴宽度为11-13mm，粘贴长度为80-120mm；
4)、粘贴方法为使用工具对传感器进行特定粘贴参数的粘贴。
作为本发明的进一步改进，所述胶黏剂为乐泰环氧树脂胶。
作为本发明的进一步改进，所述玻璃纤维预浸料下设有纸膜，上设有塑料膜。
作为本发明的进一步改进，所述模具为316不锈钢。
作为本发明的进一步改进，在大曲率叶尖处使用W形模具，在其他部位使用S形模具。
作为本发明的进一步改进，所述粘贴参数为粘贴宽度为11mm，粘贴长度为100mm。
作为本发明的进一步改进，所述粘贴方法为：在叶片表面将表贴式FBG传感器以栅区为中心伸直两侧各距70-100mm选点进行透明胶带初步固定，将玻璃纤维预浸料裁剪成所需规格的长条形，将玻璃纤维预浸料的纸膜使用双面胶粘贴至一形模具上，将玻璃纤维预浸料塑料膜撕掉，使用胶黏剂均匀涂覆在玻璃纤维预浸料塑料膜粘接侧，使用一形模具将已涂覆胶黏剂的玻璃纤维预浸料按压在表贴式FBG传感器栅区粘贴在叶片内表面，撕下玻璃纤维预浸料的纸膜，光纤径向、预浸料长度方向、叶片径向保持一致，并使得栅区中心为玻璃纤维预浸料的中心，最后使用电热滚轮埋线器将玻璃纤维预浸料按压至紧贴叶片内表面并将其热压至固化。
作为本发明的进一步改进，所述粘贴固化时的环境湿度为80-90％RH。
作为本发明的进一步改进，所述电热滚轮埋线器的热压温度为120-140℃。
本发明是这样实现的，一种基于FBG光纤光栅传感器的风电叶片高应变传递率的粘贴方式，包括如下步骤：
(1)确定粘贴所用胶体对传递率的影响
不同的胶体在不同湿度环境下剪切模量不同，而剪切模量又是影响FBG传感性能的一个重要因素，表贴式FBG应变传感器的传递效率与胶体剪切模量有如下关系：
式中
其中α为应变传递率，D为胶体的粘贴宽度，hc为上部胶结层的厚度，hm为下部胶结层的厚度，2L为粘贴长度，Gc为胶体剪切模量，Eg为光纤光栅弹性模量，εg(x)为光纤应变，εm为基体应变。
进一步，胶体剪切模量应该根据工程环境与胶体型号选择剪切较大的胶体。
(2)确定粘贴所用胶体
根据GB/T 7124—2008《胶粘剂拉伸剪切强度的测定》的标准进行多种胶体胶接的金属对金属试样在不同环境下保持一定时间后进行拉伸剪切破坏性实验，获得形变与载荷的曲线，可根据下式计算得不同胶体在不同环境下的剪切模量：
其中A为胶接面积；Pmax为破坏载荷；η为胶层厚度；θ为载荷-形变曲线对应0.1Pmax处的割线与水平轴的夹角。随后结合工程所在地环境选用最高剪切模量的胶体。
(3)确定粘贴长度与宽度
使用ABAQUS仿真软件对一定宽度下不同长度，与一定长度下，不同宽度的粘贴方式进行有限元仿真并对传递率取三位有效数字得出最佳粘贴参数。
(4)使用弯曲粘贴方式接线
叶片在挥舞正向工况下SS面受压，PS面受拉，载荷较大时会使得绷直粘贴的FBG传感器拉断，因此，需对两传感器连接处的光纤进行弯曲粘贴以防光纤断裂影响后端串并联传感器。
本发明依据叶片内部形态、叶片所处环境以及胶体对传感器应变传递率的影响设计，包括粘贴参数与针对叶片所处环境进行胶体的确定，根据GB/T 71242008《胶粘剂拉伸剪切强度的测定》的标准进行多种胶体胶接的金属对金属试样在不同环境下保持一定时间后进行拉伸剪切破坏性实验，获得形变与载荷的曲线，可根据下式计算得不同胶体在不同环境下的剪切模量，选用最高剪切模量的胶体进行粘贴固化。使用ABAQUS仿真软件对一定宽度下不同长度与一定长度下不同宽度的粘贴方式进行有限元仿真，并对传递率取三位有效数字得出最佳粘贴参数。该发明主要应用于在役风电叶片，没有涉及到静态无损检测方面，使用环境与基体状态相差很大，不能应用到静态无损检测的技术领域。
本发明对粘贴方式进行优化，包括粘贴过程中使用的模具设计，针对粘贴参数与叶片内部形貌进行不同模具的设计，并提供了一种模具使用方法，使得FBG应变传感器在粘贴布设过程中使用叶片模具的成本大大降低。该发明具体涉及风电叶片用FBG应变传感器的粘贴布设方法，没有涉及到其他形貌材质地基体，使用环境与载荷工况相差很大，不能应用到其他材质形貌基体的技术领域。
本发明根据有限元仿真以及胶体剪切模量的测定，同时考虑避免叶片与传感器共振的前提下选用具有较高应变传递率的粘贴参数与胶体。主要优选与基体材料相似的玻璃纤维预浸料进行覆盖粘贴对光纤进行保护，并根据预浸料结构设计模具进行光纤传感器的快速粘贴布设，不仅减少了光纤粘贴布设时间与叶片模具使用成本，同时降低了在风电叶片运行过程中，光纤传感器连接线断裂的可能，对大型风电叶片的在役监测，尤其是位于海上平台以及南部山区高湿度的风电叶片在役监测具有重要意义。
本发明具有如下有益效果：本发明使用模具对传感器进行粘贴，粘贴过程中使用乐泰环氧树脂胶并用玻璃纤维预浸料进行特定参数的覆盖粘贴保护。
选用乐泰快速双组份环氧树脂胶以特定的粘贴方式进行光纤传感器栅区粘贴，在保证较高应变传递率的前提下更好地保证了光纤传感器的应变监测稳定性以及粘贴稳定性，同时使用设计定制的模具进行光纤连接线的粘贴固定，降低了在风电叶片运行过程中，光纤传感器连接线断裂的可能，对大型风电叶片的在役监测，尤其是位于海上平台以及南部山区高湿度的风电叶片在役监测具有重要意义
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为表贴式FBG传感器的结构示意图；
图2为叶片分区布设示意图；
图3为玻璃纤维预浸料的结构示意图；
图4为一形模具的侧视结构示意图；
图5为一形模具的俯视结构示意图；
图6为S形模具的侧视结构示意图；
图7为S形模具的俯视结构示意图；
图8为W形模具的侧视结构示意图；
图9为W形模具的俯视结构示意图；
图10为粘贴宽度为11mm时应变传递率随长度的变化的有限元仿真结果图；
图11为粘贴长度为100mm时应变传递率随宽度度的变化的有限元仿真结果图；
图12为25℃四种湿度环境下四种胶粘剂剪切模量的实验结果；
其中，1.基体；2.光纤；3.胶体；4.玻璃纤维预浸料；5.栅区；6.纸膜；7.塑料膜。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示一种应用于风电叶片的抗高湿度抗断裂的表贴式FBG应变传感器的布设方法，包括表贴式FBG传感器、风电叶片、解调仪、光纤传感器连接件，0.27mm厚玻璃纤维预浸料，乐泰快速双组份环氧树脂胶。
如图1、图3、图4所示一种应用于风电叶片的抗高湿度抗断裂的表贴式FBG应变传感器的粘贴方法中。
步骤一：进行拉剪实验根据图9确定环境为80％RH时胶体型号为乐泰快速双组份环氧树脂胶
步骤二：对粘贴参数进行有限元仿真根据图7、图8对应变传递率取三位有效数字得到粘贴参数为；粘贴宽度11mm，粘贴长度100mm
步骤三：在叶片表面将FBG传感器以栅区为中心伸直两侧各距75mm选点进行透明胶带初步固定
步骤四：将0.27mm厚玻璃纤维预浸料裁剪成11mm*100mm的长条形，将预浸料白纸侧的白纸使用双面胶粘贴至一形模具上。
步骤五：保证粘贴固化时的环境湿度为80％RH，将预浸料塑料膜撕掉，使用乐泰快速双组份环氧树脂胶均匀涂覆在预浸料塑料膜粘接侧
步骤六：使用一形模具将已涂覆胶粘剂的预浸料按压在FBG传感器光栅区粘贴在叶片内表面，撕下预浸料白纸侧的白纸，光纤径向、预浸料长度方向、叶片径向保持一致，并使得光栅中心为预浸料中心。
步骤七：使用电热滚轮埋线器以120℃将预浸料按压至紧贴叶片内表面并将其热压至固化。
实施例2
如图1、图5、图6所示一种基于FBG光纤光栅传感器的风电叶片高应变传递率的布设方式，包括如下步骤：
步骤一：确定叶片尺寸，根据铺设人员可进入完整叶片最深距离选定合模前叶尖铺设距离。
步骤二：在合模前对确定距离的叶尖曲率较大部位的相邻两需要串联的FBG传感器使用高效熔接器进行连接
步骤三：将预浸料白纸侧的白纸使用双面胶粘贴至W形模具上并撕下塑料膜，将两FBG传感器的连接线按压粘贴在预浸料上，并均匀涂覆乐泰快速双组份环氧树脂胶粘剂。
步骤四：使用W形模具将已涂覆胶粘剂的预浸料按压在FBG传感器光栅区粘贴在叶片内表面，撕下预浸料白纸侧的白纸。
步骤五：使用电热滚轮埋线器以120℃将预浸料按压至紧贴叶片内表面并将其热压至固化。
步骤六：在合模后对确定距离的近叶根处曲率较小可进行人工操作的区域中相邻两需要串联的FBG传感器使用高效熔接器进行连接。
步骤七：将预浸料白纸侧的白纸使用双面胶粘贴至S形模具上并撕下塑料膜，将两FBG传感器的连接线按压粘贴在预浸料上，并均匀涂覆乐泰快速双组份环氧树脂胶粘剂。
步骤八：使用S形模具将已涂覆胶粘剂的预浸料按压在FBG传感器光栅区粘贴在叶片内表面，撕下预浸料白纸侧的白纸。
步骤九：使用电热滚轮埋线器以120℃将预浸料按压至紧贴叶片内表面并将其热压至固化。
在合模前对确定距离的叶尖曲率较大部位的相邻两需要串联的FBG传感器使用高效熔接器进行连接，将预浸料白纸侧的白纸使用双面胶粘贴至W形模具上并撕下塑料膜，将两FBG传感器的连接线按压粘贴在预浸料上，并均匀涂覆乐泰快速双组份环氧树脂胶粘剂。使用W形模具将已涂覆胶粘剂的预浸料按压在FBG传感器光栅区粘贴在叶片内表面，撕下预浸料白纸侧的白纸。随后使用电热滚轮埋线器以120℃将预浸料按压至紧贴叶片内表面并将其热压至固化。
在合模后对确定距离的近叶根处曲率较小可进行人工操作的区域中相邻两需要串联的FBG传感器使用高效熔接器进行连接。将预浸料白纸侧的白纸使用双面胶粘贴至S形模具上并撕下塑料膜，将两FBG传感器的连接线按压粘贴在预浸料上，并均匀涂覆乐泰快速双组份环氧树脂胶粘剂。使用S形模具将已涂覆胶粘剂的预浸料按压在FBG传感器光栅区粘贴在叶片内表面，撕下预浸料白纸侧的白纸。最后使用电热滚轮埋线器以120℃将预浸料按压至紧贴叶片内表面并将其热压至固化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种风电叶片高湿度下用FBG高应变传递率快速粘贴布设方法，其特征在于，包括：
S1.材料：表贴式FBG传感器、风电叶片、解调仪、光纤传感器连接件；表贴式FBG传感器布设在风电叶片内表面若干条；解调仪1个，电热滚轮埋线器1个，光纤传感器连接件若干个，光纤传感器连接件用于连接解调仪和表贴式FBG传感器阵列；所述表贴式FBG传感器的结构：在基体（1）上依次粘贴光纤（2）、胶体（3）和玻璃纤维预浸料（4），所述光纤中间为栅区（5）；
S2.粘贴布设方法，包括以下步骤：
1）、模具的选择：选自一形模具、S形模具以及W形模具中的至少一种；
2）、胶黏剂的选择：选自502胶、5210胶、353ND胶、乐泰环氧树脂胶中的至少一种；
3）、粘贴参数的选择：粘贴宽度为11-13mm，粘贴长度为80-120mm；
4）、粘贴方法为使用工具对表贴式FBG传感器进行粘贴参数的粘贴；
所述粘贴方法为：在风电叶片表面，将表贴式FBG传感器以栅区（5）为中心伸直，两侧各距中心70-100mm，选点进行透明胶带初步固定，将玻璃纤维预浸料（4）裁剪成所需规格的长条形，将玻璃纤维预浸料（4）的纸膜（6）使用双面胶粘贴至一形模具上，将玻璃纤维预浸料（4）塑料膜（7）撕掉，使用胶黏剂均匀涂覆在玻璃纤维预浸料（4）塑料膜（7）粘接侧，使用一形模具将已涂覆胶黏剂的玻璃纤维预浸料（4）按压在表贴式FBG传感器栅区（5）上，并粘贴在风电叶片内表面，撕下玻璃纤维预浸料（4）的纸膜（6），光纤（2）径向、玻璃纤维预浸料长度方向、风电叶片径向保持一致，并使得栅区（5）中心为玻璃纤维预浸料（4）的中心，最后使用电热滚轮埋线器将玻璃纤维预浸料（4）按压至紧贴风电叶片内表面并将其热压至固化。
2.根据权利要求1所述风电叶片高湿度下用FBG高应变传递率快速粘贴布设方法，其特征在于，所述胶黏剂为乐泰环氧树脂胶。
3.根据权利要求1所述风电叶片高湿度下用FBG高应变传递率快速粘贴布设方法，其特征在于，所述玻璃纤维预浸料（4）下设有纸膜（6），上设有塑料膜（7）。
4.根据权利要求1所述风电叶片高湿度下用FBG高应变传递率快速粘贴布设方法，其特征在于，所述模具为316不锈钢。
5.根据权利要求1所述风电叶片高湿度下用FBG高应变传递率快速粘贴布设方法，其特征在于，在大曲率叶尖处使用W形模具，在其他部位使用S形模具。
6.根据权利要求1所述风电叶片高湿度下用FBG高应变传递率快速粘贴布设方法，其特征在于，所述粘贴参数为粘贴宽度为11mm，粘贴长度为100mm。
7.根据权利要求1所述风电叶片高湿度下用FBG高应变传递率快速粘贴布设方法，其特征在于，所述固化时的环境湿度为80-90%RH。
8.根据权利要求1所述风电叶片高湿度下用FBG高应变传递率快速粘贴布设方法，其特征在于，所述电热滚轮埋线器的热压温度为120-140℃。
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