无损检测应用中的玻璃纤维增​​强材料

玻璃纤维增​​强材料的无损检测应用

摘要

发现审查的风力涡轮机的转子叶片时的一个主要缺陷是ondulations的复合材料的层内。这些可能导致结构失效的转子叶片，从而广泛的修理和停机时间的设施成本帐户。在一项研究中，正在开发的方法和设备研究通过热熔，在连续获得高分辨率的3-D图像通过计算机断层扫描，来开发算法，自动评估这些ondulations，能够找到这样的缺陷。我们将要展示的方法包括检测，分割和测量的环氧形成下方的ondulation作为单一的玻璃纤维粗纱，评价它们的方向通过这些工件的复合材料和地图以及分割的长度和高度。整个转子叶片的建模和模拟透视图像沿不同的轨迹是用来评估所需的几何形状和采集参数为一个概念同时适用于在生产过程中的质量控制和原位检测平台。

关键词：玻璃纤维复合材料，玻璃纤维，粗纱，波浪式振荡，方向，计算机断层扫描，模拟，风力涡轮机，转子叶片

1背景

既然决定要退出核能发电在发达国家例如像奥地利和德国正集中对可再生能源，特别是风能。这些风力涡轮机的转子叶片重仓的高圆周速度可达300公里每小时半径达90米。风电产业提供了这些条件耐用，轻质结构，采用玻璃纤维增​​强复合材料在半硬壳式结构。然而，失败的风力涡轮机的转子叶片往往可以追溯到原产于手工生产步骤，其中的缺陷。较高的货币此类故障的原因适用在生产过程中的质量控制和检查原位识别和定位这些缺陷的无损检测方法的发展需求。

2研究的目的和概述

弗劳恩霍夫学会的威廉 - Klauditz，学会木研究（WKI）共同的发展中心X射线技术（EZRT）被加速的一项研究，让测量和评价的关键结构，在这类复合材料在建筑，以及在现场的操作。该研究的想法是要结合红外热成像和透视成像的表现力。热成像是用来识别和定位可疑区域中的对象。 X射线成像和计算机断层扫描应用提供体积数据集，这些地区的利益，从而可以更深入的检查，测量和评估发现的缺陷。

转子叶片[图1a）是建立在半硬壳式结构技术。它们由一个上限和一个下壳和提出的可能的不同种，在两者之间，以支持在叶片的空气动力结构的形成[图1b）]的一个或多个翼梁。所述第一和可能是最明显的缺陷的严重程度包括接合位置的刀片和翼梁的两半连接的故障。这些缺陷可以可靠地示通过主动红外热[1]或通过声学回声测量。本研究着重于制造上的缺陷，一类是不太明显的，更难以发现和解释。沿每个叶片的中心部分延伸的带单向GFRP约50厘米宽，约5厘米厚[图1c）]在叶片的中跨。这些皮带的目的携带的向心力的结果时，其重量可达60吨的叶片旋转的圆周速度可达300公里每小时。制造过程仍处于早期阶段，自动化，因此，玻璃纤维无捻粗纱张手动把在建的形状。这将导致在材料的弯曲和波 - 所谓的ondulations的。

A）转子叶片B）刀片在跨中C段）的承载带剖面图，一个ondulation图1：GFRP带和ondulations，在转子叶片的结构

材料科学家表明ondulation的角度为20°的纤维的主传播方向上，作为减少其一半的承载能力的原因。的转子叶片的制造商给出一个启发式阈这种ondulations - 它们表明，3 mm的高度超过10厘米的长度的偏差为将已经是理由拒绝一个刀片。可以给出的纤维材料的减少围绕这样ondulations稳定的原因，通过想象的弯曲纤维将不再补偿出现的力，其结果，都必须在单独的环氧出生。我们的研究的目的是，得到的实验证据和量化的严重性，这些ondulations的，作为一种手段来检测和定位这些缺陷，开发的方法和由X-射线成像设备，获取它们的高度解决的容积数据，并评价热测量ondulations通过处理所获取的图像。弗劳恩霍夫WKI检查承载的影响单向GFRP和及其中的ondulations，通过拉伸测试样品的容量。 WKI将运用他们的专业知识，主动热成像，定位可疑ondulations叶片内的地区。夫琅和费EZRT开始了他们的贡献，通过收购上述带和算法处理这些小部分的三维CT图像的研究。我们建造型号的转子的叶片部分内弗劳恩霍夫EZRT的天蝎座XLab®透视仿真平台[2]和被现在检查不同的图像采集原则关于他们的表现力的问题由模拟的装置和通过再现的真实世界采集场景中的实验室。

3观察与较小的标本

我们开始通过检查的成像能力，较小的标本。这是单向玻璃纤维增​​强塑料切出一个真正的转子叶片的带样品。样本的大小约25.4.3立方厘米，表明不同种类和不同严重程度的ondulations [图2和3]。图2和图3中的示例是由与椭圆形的横截面的单向玻璃纤维粗纱约3.5·1.5平方毫米。在所示的图像，这些粗纱导致由左到右。是用于创建单向排列的粗纱的地毯的翘曲，使我们能够看到整个样品[图3]的玻璃纤维层的取向。这些小样本允许高分辨率的3-D CT图像的计算示于图4和图5。

图3：在的附加说明在图2中的一部分的特写ondulation，经纱使视觉上跟随的粗纱层

3.1的Ondulations评价环氧树脂的扩展

我们的样本对象进行了计算机断层扫描重建决议130μm。该决议，确保能够相互区分不同的粗纱。的玻璃纤维与环氧树脂的衰减的差异给出了足够高的对比度，在视觉上跟随的粗纱层，看在材料中的ondulations。我们的第一个方法来评估ondulations的严重程度，使用的想法，在形成一个ondulation的要求，在纤维中的颠簸下的区域将被填充环氧树脂一块。

该环氧树脂可以很容易地被分割的功能，如图像中的灰度级（即纤维材料相比，其差异衰减）。图4示出了这样的测量的例子。分割的环氧显示为红色覆盖在我们的样品体积渲染。测量的高度和长度的环氧树脂的块状允许缔结的ondulation上面已形成的尺寸。在这种情况下，分段的面积是3毫米高，22毫米长。

图4：审议的ondulation的分割下的环氧

这个简单的方法来衡量ondulations一些少数的缺点，仍然需要不客气。相同程度的ondulations，可能会发生不形成一个大的单个区域的环氧树脂，但只有少量分布使得测量困难甚至是不可能的环氧树脂的总和的几层之间。此外，这样的环氧树脂的气球的尺寸在所得ondulation的尺寸方面需要被解释自涂抹轮廓的粗纱层以上。根据定义之间的开始和结束点来衡量他们的扩张，ondulations测量长短不一。有一次，拉伸试验将要上前，一会需要指定角度的精确定义和扩展这些缺陷。

3.2评价的通过巡回取向，Ondulations

的第二种方法是测量的ondulation程度，当然是直接识别的单一的玻璃纤维粗纱的取向。这涉及到每一个人的粗纱的分割和分离，并允许精确地计算它们的取向在任何位置的样本。图5示出了这样一个定向地图的一个例子。重叠的线表示粗纱而颜色代码的粗纱带（正确的方向到严重的ondulation从绿色到红色）的主要传播方向偏离中心线。虽然这种方式提供了最好的结果，在实验室理想条件下，它不似乎是合理的，如此高的分辨率，以获得完美的CT重建整个叶片的部分。本研究将要实现的最终概念，我们预期，我们将需要申请收购在有限的角度轨迹，而这些高的micro-CT决议。

图5：定位地图用颜色编码的中心线沿每根粗纱

4建模与仿真

我们需要开发一个概念，应用X射线成像的对象，似乎是可控的，今天。现在，最大的转子叶片长度达90米，截面直径可达3.5米与1.75米，高7米宽和根段 - 和更大的叶片已宣布未来。为了开发一个检查缺陷在这些大对象的概念，我们用X射线模拟调查所需要的X射线系统的轨迹和组件的需求。我们创建在根部的叶片部分的模型中，一个典型的叶片跨度[图6]为的仿真框架天蝎座XLab®[2]。该模型提供的外壳的两半，并纳入作为均质材料晶石和皮带。由于在计算复杂性的原因，有在每个皮带17.9粗纱与环氧树脂之间只有较小的包，再生纤维含量为约60％。该模型使用现实的化学的材料的描述中使用的最有可能的环氧树脂和固化剂的混合比率。

模型的转子叶片中跨度和放大的模型粗纱包

天蝎座XLab®用于模拟X射线图像，这些模型作为现实条件下是可以实现的。我们真正的平板探测器的使用说明和光谱的高能量X射线管，

电子感应加速器和直线加速器用在我们的XXL-CT测试设备模拟蒙特卡罗方法和我们模拟的焦点，噪声和散射辐射。此基础应为我们提供了可靠的依据和评估的数据采集系统，适用于我们的任务。由于采集系统，类似我们的需要的情况下，这可能难以实现不使用仿真。今天，它似乎仍然能够获得完整的360°收购对象的边界缸7～8米，直径为计算机断层扫描系统是一个很长的路要走。这和的叶片的最有趣的部分用于本研究的一个事实，即在靠近叶片的外船体的位置，让我们把注意力集中在有限的角度的轨迹和laminographic重建技术[3]。

laminographic的重建巡回层带ROI

图5显示了有限的角度重建的模型粗纱包刀片的带的第一个结果。这个图像的结果的轨迹与80°的角的覆盖范围，检测器接近感兴趣的区域和源极上的另一侧的刀片沿着约160厘米，约35厘米沿着一条路径移动。图像可以清楚地分辨GFRP无捻粗纱（仍然是直的）层。这一结果，有望成为适用于显示在纤维层的ondulations。

5展望

我们将ondulations，我们的模型中的转子叶片，并会调查显示这些依赖于不同的轨迹，X-射线源和重建技术的可靠性。更复杂的方法来识别粗纱方向[4] [5]将进行评估，以提供可靠的测量噪声和较低的解决图像。拉伸试验将要被执行来得到的稳定性的损失所造成的测量ondulation陈述了坚实的基础。

参考文献

[1]彼得Meinlschmidt等。转子叶片，热像检测，NDT 2006年，Tu.1.5.3的2006年第9届欧洲会议

[2]斯特凡·赖辛格等，基于仿真的规划最优条件为DGZfP Berichtsband BB 128-CD，数码工业2011年放射科和CT国际研讨会上，工业CT，Mo.3.1，2011

[3]马库斯Rehak等。，X-射线断层合成，适用于平面样品，第二届国际研讨会上NDT 2010年在航空航天，Tu.1.A.3 2010年的收购轨迹

[4]奥利弗Wirjadi等。，的各向异性图像过滤器计算的二维和三维纤维取向，视学与图像分析 - 2009年，页107-112，国际空间站的第10届欧洲国会中的应用。

卡塔琳娜罗布等，纤维方向估计的三维图像数据：实用算法，可视化，并解释，混合智能系统的第七届国际会议上，第320-325页，2010。[5]