Kuthe N, Mahajan P, Ahmed S, et al. Debonding and surface degradation of protective coatings of wind turbine blades due to fatigue in stochastic rain scenario[J]. Composite Structures, 2025, 358: 118973.
Kuthe, Nikesh, et al. "Debonding and surface degradation of protective coatings of wind turbine blades due to fatigue in stochastic rain scenario." Composite Structures 358 (2025): 118973.
Kuthe, N., Mahajan, P., Ahmed, S., & Mishnaevsky Jr, L. (2025). Debonding and surface degradation of protective coatings of wind turbine blades due to fatigue in stochastic rain scenario. Composite Structures, 358, 118973.
背景简介
风力发电机叶片是由涂层、腻子和复合层压板组成的分层结构。随机性质的重复雨滴撞击会导致层中的疲劳损伤，从而导致层间脱粘。本研究介绍了一个集成了涂层-腻子和腻子-复合材料界面处的内聚元件的计算模型，该模型结合了由于反复冲击引起的冲击波相互作用，以研究叶片涂层的疲劳寿命，包括脱粘引起的侵蚀。耦合欧拉-拉格朗日（CEL）分析计算叶片上不同直径的单个雨滴的冲击压力，为每个直径建立压力时间历程库。生成随机降雨场景以定义雨滴大小相对于时间和位置的分布。冲击压力库与随机降雨场景集成，以预测重复冲击产生的局部应力。疲劳损伤演化定律用于涂层和内聚力单元，以估计每次冲击时涂层和层之间界面的累积损伤增长。假设涂层和腻子具有粘弹性，复合基材被视为弹性。涂层和内聚区的损伤起始和演变方程是通过ABAQUS/Explicit中用户定义的子程序实现的。这项工作确定了不同冲击速度的随机降雨场景中的失效机制，强调涂层-腻子界面处的脱粘主要是驱动涂层腐蚀，而不是对涂层本身的损坏。该模型对导致侵蚀的水滴撞击次数的预测与文献中的雨水侵蚀测试高度吻合，并得到了现场观测的证实。
成果介绍
本研究介绍了涂层样品以100、110和120 m/s的速度承受20,000个雨滴（尺寸从1 mm到5 mm不等）的随机雨滴冲击的分析结果。首先，该研究强调了表面不同点和每层厚度上应力-应变强度和疲劳损伤的变化。其次，它通过比较涂层和粘合剂层的损伤率来检查它们之间的损伤之间的关系，确定主要原因，并说明在两层中观察到的损伤模式。
（1）100 m/s的随机雨滴冲击过程中，每层的应力和应变分布表明，液滴在冲击时发生的复杂变形会在涂层中产生显著的应变。这些应变随后在涂层下方的每一层中产生应力。作为粘合界面的粘合层在每次雨滴撞击期间都会经历拉伸和剪切位移。同一区域的反复冲击会导致胶粘剂层疲劳，随着时间的推移，其刚度会逐渐降低。图1说明了雨滴撞击涂层顶面产生的冲击波，突出了在不同时间增量下每个涂层的横截面视图中的应力分布。这些冲击波是由先前冲击区域附近的撞击产生的，它们相互作用，导致界面和涂层内部的应变更高。由于界面处的位移跳跃较高，这种相互作用加速了界面刚度的退化。它还会导致涂层中的应力增加，导致其降解更快。图2描述了两个雨滴在感兴趣区域内附近撞击的场景。它们的冲击波的相互作用通过涂层顶面上该区域的放大视图以连续的时间增量突出显示。在雨滴对涂层的重复冲击过程中，在特定部件处观察到的应力模式表明涂层的刚度（从与粘合剂层相邻的底面开始）和粘合剂的刚度以及它们的承载能力都下降了。该单元被选择在相应层内的某个位置，由于重复的冲击载荷，损伤首先开始发生。图3和图4中的曲线显示了刚度的退化以及疲劳损伤（Dfat）在涂层和粘合剂层的某个单元（或局部区域）处，导致各层的承载能力逐渐降低。两者都是根据雨滴影响的数量（N）绘制的。最初，涂层可以承受多达14,000次不同大小的跌落冲击，如图3a所示。然而，在14,000次冲击后，涂层的刚度突然降低，导致其承载能力显着下降。这种退化与加速疲劳损伤密切相关，疲劳损伤在10,000次冲击后开始，如图3b所示。经过19,360次冲击后，涂层的刚度降低了70%。再往前走，可以观察到非常缓慢的损伤增长。涂层底部区域的完全损坏发生在大约20,000次撞击时。相比之下，涂层顶面的损伤增长明显缓慢，如图3c所示。即使经过20,000次雨滴撞击，顶面的损伤也只有0.007。同样，涂层和腻子之间的粘合层（用作粘合层）在大约 1,500次雨滴撞击之前保持完整。在此之后，界面开始打开，导致后续冲击过程中的应力增加，如图4a所示。在图4b中也观察到了这一点，其中疲劳损伤迅速增加到约1,580次冲击。这导致胶粘剂刚度突然损失约5,180次冲击；然而，粘合剂层继续承受载荷，直到大约8,500次。在此期间，疲劳损伤进展相对较慢。通过大约8,320次撞击，该局部区域的粘合层完全破坏，导致界面完全失效。尽管如此，该层在压缩时仍保持一定的承载能力，防止功能完全丧失。
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图1 雨滴以不同时间（s）增量撞击后涂层（横截面视图）中产生的冲击波和应力（MPa）分布（以10倍的变形比例显示）
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图2 来自两个雨滴的冲击波以不同的时间增量（放大视图）近距离（放大视图）撞击涂层（顶视图）的相互作用
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图3 Von Mises应力和Dfat在重复雨滴冲击下的涂层中的局部区域的变化。确定的应力模式表明涂层的刚度下降，导致承载能力逐渐下降
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图4在重复雨滴冲击下，粘合剂局部区域的Von Mises应力与Dfat变化情况
（2）探讨了损伤（Dfat）的空间演变由于重复的雨滴撞击而穿过涂层表面和界面，强调了层界面处的脱键合及其在涂层失效中的作用。研究表明，损伤不会均匀地在涂层和粘合剂层上累积，涂层-腻子界面处的位移跳跃是脱粘的初始触发因素。在此分析中，损伤等值线说明了有限元模型中不同程度的损伤。SDV19代表涂层中的渐进性损伤DCDM，而SDV4捕获胶粘剂层在等值线图中的损伤DCZM，红色表示损伤最严重的区域，蓝色表示损伤最小的区域，中间颜色反映整个模型中不同的损伤级别。这个过程如图5所示，它描述了不同次数的雨滴撞击后的损伤。多次冲击的累积效应会导致界面区域内特定位置的位移跳跃更大。随着这些位置受到反复冲击，损伤程度会增加，这在视觉上可以检测到胶粘剂上的红点。这种损伤会随着持续的冲击而逐渐演变，受影响的区域会扩大。因为界面失去了刚度，变得无法承受拉力和剪切载荷，这会导致界面附近的涂层区域受损。这种损伤通常从已经受损的界面区域开始，并逐渐扩散到涂层区域，从外向内演变。这种现象在图5中尤为明显，它显示了每4000次雨滴撞击时涂层和粘合剂的状况，直到20,000次撞击完全失效。
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图5 涂层SDV19: DCDM（显示朝向界面的底部）和粘接层SDV4: DCZM在不同雨滴冲击后损伤演化的对比
（3）当液滴冲击速度增加到110 m/s时，对于10 mm/hr的强度，与100 m/s时的失效率相比，涂层和腻子之间的界面开始更快地失效。这种加速失效是由于冲击压力增加，这会导致界面处更大的位移跳跃，特别是影响胶粘剂层。在以110 m/s的速度进行大约4150次液滴撞击后，涂层和腻子之间70%的界面区域已经损坏，导致局部涂层腐蚀。图6显示了在以 110 m/s 的速度进行一系列雨滴撞击后，涂层中的疲劳损伤位于底部靠近界面和粘合层处。图6a显示了涂层的最小损伤，而图6b显示了胶粘剂层的严重损伤，突出了涂料-腻子界面在增加的冲击压力下的脆弱性。随着冲击速度的变化，在多层涂层中观察到不同的失效模式。在较低的冲击速度（低于100 m/s）下，涂层和胶粘剂的损伤进展速度相对相等。然而，当冲击速度达到100 m/s或更高时，与涂层中的损伤相比，胶粘剂层的损伤速度会显著加快。这种差异导致胶粘剂层劣化得更快，导致涂层材料甚至在完全受损之前就从腻子上脱落。弱化的界面无法将涂层完整地固定在腻子上，同样，腻子也无法与复合材料保持完整，成为主要的失效点。这种失效模式在较高的冲击速度下变得越来越明显，特别是在120至140 m/s的范围内，其中界面失效先于并决定涂层系统的整体结构失效。
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图6 涂层（底面）和胶粘剂层在 110 m/s 冲击速度下的损伤演变
致谢
本文第一作者：Nikesh Kuthe (Indian Institute of Technology)，本文通讯作者: Puneet Mahajan (Indian Institute of Technology)。
本期小编 石 韬（整理）
闵 琳（校对）
舒 阳（审核）
董乃健（发布）
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