TCSTM-《风电叶片用复合材料疲劳性能测试评价方法 第3部分：夹层结构四点弯曲疲劳》

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3部分：夹层结构四点弯曲疲劳

Testandevaluationmethodoffatiguepropertiesofcompositesmaterialsfor

windturbinebladesPart3:4-pointbendingfatigueofsandwichconstructions

（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3部分：夹层结构四点弯曲疲劳

1范围

本文件规定了风电叶片用夹层结构四点弯曲疲劳性能测试评价方法的原理、试样、试验设备、状态

调节和试样环境、试验步骤、试验结果及数据处理、试验报告和疲劳性能评价方法等。

本文件适用于风电叶片用芯材（泡沫、balsa轻木等）的疲劳性能测试及评价，也适用于复合材料

风电叶片制造用芯材的设计、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。

GBT35465.1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

ASTMC393StandardTestMethodforCoreShearPropertiesofSandwichConstructionsbyBeam

Flexure

3术语和定义

GB/T35465.1界定的术语和定义适用于本文件。

4原理

在不同的弯曲应力或应变水平下，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施加

交变应力，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

夹层结构四点弯曲疲劳试样形状为长方体，试样尺寸应满足表1要求，试样尺寸推荐为600mm×60mm

×（试样实际厚度）。

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表1试样尺寸要求

单位为毫米

项目要求

长度≥550

宽度＞2×总厚度

芯材厚度25±0.5

面板厚度2.5±0.2

总厚度芯材厚度+面板厚度

5.2试样制备

5.2.1材料

夹层结构试样采用厚度为25mm±0.5mm的芯材，加工方式采用风电叶片壳体的加工方式。

夹层结构面板采用四轴向玻璃纤维织物（0°/90°/+45°/-45°）或等效织物组合，织物的各个方

向克重相等。

5.2.2试样加工

在芯材上下两面均铺放四轴向玻璃纤维织物（0°/90°/+45°/-45°）或等效铺层设计，通常采用

单位面积克重为800g/cm3的双轴向玻璃纤维织物。芯材面板厚度为2.5±0.2mm；铺放辅材后灌注树脂，

按照树脂固化制度固化后脱模，切割试样，试样尺寸满足表1要求。试样制备时应考虑制备方法对试样

可能的机械损伤，为保证试样的质量一致性和同质性，要求每个试样包含的加工方式相同，试样宽度方

向上包含两个沿试样长度方向的深槽或包含至少一个典型的加工方式完整结构单元，如图1所示。

单位为毫米

图1疲劳试样取样示意图

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、滑移和应力集中。

6.4四点弯曲试验夹具应符合ASTMC393的规定。

7状态调节和试验环境

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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试验步骤

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静态四点弯曲剪切强度按ASTMC393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。夹层结构四点弯曲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1×105~5×105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1×106~2×106循环次数为目标，试样有效数据不少于3个。

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。

8.8调节支撑跨距及上压头的位置，精确至0.5mm，试验跨距按ASTMC393执行，推荐支撑和加载

加载点跨距如图2所示。

图2四点弯曲疲劳试样安装示意图

8.9标记试样受拉面，将试样对称地放在两支座上，应确保试样中心与测试中心线一致。必要时，在

试样表面与支撑和加载压头间放置柔性衬垫物，防止试样受压失效。

8.10若进行应变控制，在跨距中点处安装应变仪或其他应变测量装置，与试样下表面接触，并在无载

荷时对应变清零。

8.11对试样加载直至试样失效。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。

8.12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。

8.13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。

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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)试样静态四点弯曲强度

10)面板纤维体积含量和纤维质量含量

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

风电叶片用夹层结构的疲劳损伤采用应力比（R=0.1）的S-N曲线计算得到，夹层结构的疲劳损伤

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）

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。

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…………（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。

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