TCSTM-《风电叶片用复合材料疲劳性能测试评价方法 第1部分：纤维增强复合材料拉拉、拉压和压压疲劳》

ICSXX.XXX.XX

CCSXXXX

团体标准

T/CSTMXXXXX—202X

风电叶片用复合材料疲劳性能测试评价方

法第1部分：纤维增强复合材料拉-拉、

拉-压和压-压疲劳

Testandevaluationmethodoffatiguepropertiesofofcompositesmaterialsfor

windturbinebladesPart1:Tension-tension、tension-compressionand

compression-compressionfatigueoffiberreinforcedcomposites

（征求意见稿）

202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施

中关村材料试验技术联盟发布

T/CSTMXXXXX—2022

风电叶片用复合材料疲劳性能测试评价方法

第1部分：纤维增强复合材料拉-拉、拉-压、压-压疲劳

1范围

本文件规定了风电叶片用纤维增强复合材料拉-拉、拉-压和压-压疲劳性能的测试评价方法的术语和

定义、原理、试样、试验设备、状态调节和试验环境、试验步骤、试验结果及数据处理、试验报告、疲

劳性能评价方法等。

本文件适用于风电叶片用碳纤维增强复合材料及玻纤增强复合材料（玻纤层合板、碳纤维层合板、

玻纤拉挤板和碳纤维拉挤板等连续纤维增强复合材料）的疲劳性能测试及评价，也适用于复合材料风电

叶片制造用树脂基复合材料的设计、采购、检验和验收。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T35465.1聚合物基复合材料疲劳性能测试方法第1部分：通则

GB/T35465.2聚合物基复合材料疲劳性能测试方法第2部分：线性或线性化应力寿命（S-N）和

应变寿命（ε-N）疲劳数据统计分析

ISO527-4Plastics—Determinationoftensileproperties—Part4:Testconditionsfor

isotropicandorthotropicfibre-reinforcedplasticcomposites

ISO527-5Plastics—Determinationoftensileproperties—Part4:Testconditionsfor

unidirectionalfibre-reinforcedplasticcomposites

3术语和定义

GB/T35465.1界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

拉-拉疲劳tension-tensionfatigue

最大应力/最大应变和最小应力/最小应变均为拉伸应力/拉伸应变时的疲劳。

3.2

拉-压疲劳tension-compressionfatigue

最大应力/最大应变为拉伸应力/拉伸应变，最小应力/最小应变为压缩应力/压缩应变时的疲劳。

3.3

压-压疲劳compression-compressionfatigue

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最大应力/最大应变和最小应力/最小应变均为压缩应力/压缩应变时的疲劳

4原理

在不同的应力或应变水平下，以恒定的应力或应变振幅、应力比或应变比以及频率对试样进行拉-

拉、拉-压或压-压疲劳，持续至试样失效、对试验结果进行分析处理，绘制应力寿命（S-N）或应变寿

命（ε-N）曲线，将S-N曲线结果带入风电叶片结构设计中评估出疲劳安全系数。

5试样

5.1试样形状和尺寸

试样分为直条型和四面加工型试样。四面加工型试样的形状见图1，尺寸见表1；直条型试样形状

见图2，尺寸见表2。单向纤维增强复合材料采用四面加工型试样。多轴向纤维增强复合材料拉-拉疲劳

采用直条型试样，拉-压和压-压疲劳采用四面加工型试样。

图1四面加工型疲劳试样形状示意图

表1四面加工型疲劳试样尺寸

单位为毫米

尺寸名称玻纤增强复合材料要求碳纤增强复合材料要求

L-总长度200±1200±1

L0-端柄长度65±0.565±0.5

L1-工作段长度10±0.110±0.1

B-端柄宽度15±0.115±0.1

H-端柄厚度2-102-10

b-最窄处宽度10±0.110±0.1

h-最薄处厚度1.6-2.01.3-2.0

R1300.75300.75

R2181.25181.25

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图2直条型疲劳测试试样形状示意图

表2直条型疲劳测试试样尺寸

单位为毫米

尺寸名称要求

L-总长度250

L0-两钳口间的长度150

b2-宽度25±0.2

h-厚度2-10

5.2试样制备

试样使用机械加工法制备，制备要求应符合GB/T35465.1的规定。

5.3试样数量

推荐静态试验有效试样为6根，疲劳试验有效试样至少为12根。

6试验设备

6.1试验设备应符合GB/T35465.1的规定。。

6.2尺寸测量工具应精确至0.01mm。

6.3夹具和辅助设备应保证试样在试验中不发生扭曲和滑移

6.4防失稳工装适用于四面加工型试样，如图3所示。防失稳工装由刚性部分、弹性部分和连接螺栓构

成。刚性部分长90.0mm±0.1mm，宽40.0mm±0.1mm，厚度应不小于4mm，推荐使用HRC40以上的钢材，以

保证具有足够的刚度；弹性部分应贴合或略大于试样工作段弧形表面，推荐使用韧性较好的材料（如硅

橡胶）；连接螺栓应能给予弹性部分不小于1MPa的锁紧压力。

单位为毫米

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25.0±0.1

2

0.1

0.1

±

±

0.03

0.0

7

913

40.0±0.1

说明：

1——刚性部分；

2——弹性部分；

3——连接螺栓。

图3防失稳工装示意图

7状态调节和试验环境

试样的状态调节和试验应在试验室标准环境条件下进行，实验室标准环境条件为温度23℃±2℃，

相对湿度50%±10%，状态调节时间至少为24h。

8试验方法

8.1对试样进行外观检查，有缺陷、不符合尺寸或制备要求的试样，应予作废。

8.2对试样进行编号，测量工作段内任意三点的宽度和厚度，取算术平均值。

8.3静态拉伸强度、拉伸弹性模量和最大拉伸应变按ISO527-4或ISO527-5进行测定。静态压缩强度、

压缩弹性模量和最大压缩应变按ISO14126进行测定。

8.4按疲劳试验要求选择波形和试验频率。试验波形一般为正弦波，试验频率推荐5Hz。

8.5按试验目的确定应力比或应变比。拉-拉疲劳应力比或应变比大于0小于1，推荐为0.1。拉-压疲

劳应力比或应变比小于0，推荐为-1。压-压疲劳应力比或应变比大于1，推荐为10。

8.6测定（S-N）曲线（ε-N）曲线时，按试验目的，至少选取4个应力或应变水平，每个应力水平至

少3个有效试样。选取应力或应变水平的方案如下:

a）第一个水平以103~104循环次数为目标，试样有效数据不少于3个；

b）第二个水平以104~105循环次数为目标，试样有效数据不少于3个；

c）第三个水平以105~106循环次数为目标，试样有效数据不少于3个；

d）第四个水平以106~107循环次数为目标，试样有效数据不少于3个，其中至少有一根试样循环

次数达到107循环次数。

8.7通常从第一个水平开始疲劳试验，若循环次数与预期差异较大，则逐量升高或降低应力或应变水平。

无特殊试验目的，各应力或应变水平应使用相同频率和应力或应变比。

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8.8夹持试样并使试样中心线与上下夹头的对准中心线一致。夹持力不应过大以免损伤试样。若进行

应变控制，安装应变仪或其他应变测量装置，并在无载荷时对应变清零。当使用四面加工型试样进行拉

-压和压-压疲劳试验时，应安装防失稳工装。

注：使用防失稳工装时无法进行应变控制试验。

8.9进行疲劳试验直至试样失效。在试验过程中，监测试样表面温度并记录，若试样温度变化超过

10℃，启用散热装置，若散热装置不能降低试样的温度，应重新选择试验频率。

注：失效条件包括试样破坏、试样的刚度衰减到协定的要求值、肉眼可见的损伤等。

8.10试验过程中随时检查设备状态，观察试样的变化，每水平至少记录一根试样的温度。

8.11试样失效后，应保存好试样断口。检查试样的失效模式，特别注意加强片边缘或夹持部位产生的

破坏。去除所有不可接受的试样并补充试验。

9试验结果及数据处理

9.1给出所有试样的疲劳寿命。

9.2按GB/T35465.2的规定进行数据处理，并绘制应力寿命（S-N）或应变寿命（ε-N）曲线。

10试验报告

试验报告中应至少包含以下内容：

1)试验方法及标准号;

2)试验材料规格牌号、辅助材料规格牌号等说明

3)试样制作加工工艺说明

4)试样编号、形状、尺寸、外观质量、数量；

5)试验环境及试样状态调节；

6)试验设备；

7)试验日期及其他

8)试验频率、应力比、控制模式和波形类型

9)试样静态强度

10)试样纤维体积含量、纤维质量含量

11)S-N曲线（纵坐标为应力振幅）、不同置信度下的SN曲线（5%、50%、95%）及对应疲劳寿命预测；

12)试样破坏前后图片。

11疲劳性能评价方法

风电叶片用主承力结构件的疲劳损伤采用不同应力比(R=0.1、R=-1、R=10）的S-N曲线计算得到，

其他部件的疲劳损伤采用简化的S-N曲线（R=-1）计算得到。纤维增强复合材料的疲劳损伤计算方法具

体如下：

步骤1：采用ANSYS软件计算单位载荷下沿纤维方向的最大应变值。

步骤2：根据式（1）和式（2），计算与每个Markov矩阵中的载荷对应的应变均值和幅值。

……………（1）

…………（2）

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式中：

——载荷幅值，单位为kNm；

——载荷均值，单位为kNm；

——对应的应变幅值，无量纲；

——矩阵中的应变均值。

步骤3：根据Goodman图对应的S-N曲线，可以确定该载荷下许用循环次数N。

步骤4：使用线性损伤累积算法来确定损伤。

…………（3）

式中：

D——累计损伤，是指现有载荷下的循环次数ni与许用循环次数Ni的比值的和。

ni——为实际循环次数；

Ni——为许用循环次数

步骤5：合格判定要求：累计损伤D≤1。