复合材料层合板损伤演化的实验和数值分析

发布时间：2019-11-06 20:08

【摘要】：针对碳纤维增强树脂基复合材料层合结构损伤机理的复杂性,采用实验和数值相结合的方法研究了开孔复合材料层合板在拉伸加载下渐进损伤失效过程;应用声发射(Acoustic Emission,AE)和数字图像相关方法(Digital Image Correlation,DIC)同步实时监测损伤进程,实时获得复合材料内部损伤产生的声发射信号特征和表面应变场的变化,提取声发射信号的峰值频率用以识别复合材料的损伤模式,利用损伤形成的应变场局部化特征,选择局部应变场的统计标准差值以描述损伤程度;构建基于连续介质损伤力学(Continuum Damage Mechanics, CDM)的纤维增强复合材料层合板渐进损伤本构模型,并对开孔层合板进行了渐进损伤数值模拟。本文主要包括以下几个方面的内容:(1)为了深入分析碳纤维复合材料层合板结构的损伤机理,对七种不同铺层的试样在拉伸过程中获得的AE信号参数进行了统计分析,由统计结果获得了复合材料的纤维基体界面剥离、分层、基体损伤、纤维抽拔和纤维断裂分别与AE信号五种峰值频率分布范围的对应关系。(2)针对单个AE信号中除了峰值频率表征的损伤特征外还隐含着其它损伤类型的问题,提出了增加去相关算法的总体平均经验模态分解(Decorrelation Ensemble Empirical Mode Decomposition,DEEMD)方法,消除EMD (Empirical Mode Decomposition)方法中存在的模态混叠现象,有效分离AE信号中包含的几种损伤模式对应的峰值频率特征,在此基础上,提出了基于DEEMD方法的复合材料层合板损伤模式的AE峰值频率判断方法及判断流程,对声发射技术在复合材料层合板结构损伤监测的实际应用有指导意义。(3)提出了一种含孔复合材料层合板损伤演化的实验表征方法。在DIC全场测量与实验数据统计分析的基础上,选择能够表征局部损伤演化的应变值作为关键参量,提出了基于应变带的统计标准差值的损伤演化定量表征。基于声发射累积能量计数和多种损伤模式的累积事件数可对复合材料的损伤进行定性和定量的表征,建立了基于声发射累积效应的损伤变量,并给出了损伤演化方程。(4)建立了基于CDM纤维增强复合材料层合板渐进损伤三维有限元模型。研究了三维应力状态下复合材料层合板的四种损伤模式:基体损伤、纤维断裂、分层及纤维基体剪切损伤(纤维抽拔),四种损伤模式的损伤萌生由失效准则控制,失效准则采用了以应变为参量描述的由Linde失效准则和Hashin失效准则组成的混合失效准则。损伤演化由损伤变量控制,损伤变量采用了改进的指数形式非线性演化模型,该模型考虑了应变耗散能对损伤变量演化的影响,并给出了应变耗散能的计算公式,同时引入了损伤变量不可逆的增长方式。将本文建立的复合材料本构方程、损伤萌生准则和损伤扩展准则集成到由ANSYS有限元软件的二次开发语言APDL编写的有限元分析相应程序中,对开孔单向板和双向板进行了渐进损伤模拟,获得了层合板几种损伤模式的演化过程,数值分析结果与实验结果吻合较好,验证了本文所建三维有限元模型的有效性。
【图文】：

过程中会产生各种损伤类型，主要包括：纤维断裂（ｆｉｂｅｒ邋ｆａｉｌｕｒｅ）、纤维基体的界面剥逡逑离（ｆｉｂｅｒ／ｍａｔｒｉｘ邋ｄｅｂｏｎｄｉｎｇ）、基体开裂（ｍａｔｒｉｘ邋ｃｒａｃｋｉｎｇ）、纤维抽拔（ｆｉｂｅｒ邋ｐｕｌｌ－ｏｕｔ）和分逡逑层（ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）等损伤模式［７］（图１．１），这些损伤的发生时刻、发展过程和发生量逡逑等对复合材料损伤程度的判定至关重要。各种损伤的发生可产生相应的声发射信号，逡逑需要从大量的声发射信号中分辨出不同的损伤模式。从目前的文献看，用于纤维增逡逑强复合材料的声发射损伤模式分类方法主要有以下三种：参数分析法、波形分析法逡逑和模式识别算法。逡逑２逡逑

合材料损伤时ＡＥ信号峰值频率分布范围与损伤模式的关系进行了研究，两者的研逡逑究结果也不尽相Ｎ。Ａｒｕｍｕｇａｍ等１Ｍ）１研究时发现，—ＡＥ信号的频域分析中存在逡逑多个峰值（图１．２），他认为采集的一个ＡＥ信号中包含了多个损伤机理对应的信息，逡逑但是他并没有把几种损伤模式从一个ＡＥ信号中分离出来。众多学者在对复合材料逡逑损伤时的ＡＥ信号的频域分析研究中使用的试样、研究方法及策略有所不同，得到逡逑的结果也不尽相同，但是研究结果表明，ＡＥ信号的峰值频率能够很清楚的区分复逡逑合材料的损伤模式。对于复合材料层合板结构而言，探寻合适的实验方法能够应用逡逑频域分析识别和验证复合材料的损伤机理，并且选择恰当的信号处理方法对ＡＥ信逡逑号进行深入分析，以获得ＡＥ信号中除了峰值频率对应的损伤模式外隐含的损伤机逡逑理。逡逑ＦＦＴ邋ｏｕｔｐｕｔ逡逑２｜逦；逦＊逦■逦，逦逡逑ｐＴ＇逦ｙ＊－赛｜》成３纤维基逆逡逑Ｉ逦纤维抽拔ｊ邋＃逦＼逡逑１邋，，逦Ｊ逦＼逡逑一邋ｈ逡逑０逦１００逦２００逦３００逦４００逦５００逡逑Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋（ｋＨｚ）逡逑图１．邋２ＡＥ信号的频率分布［３ｔ＞１逡逑Ｆｉｇ．邋１．邋２邋Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋ｄｏｍａｉｎ邋ｏｆＡＥ邋ｓｉｇｎａｌ逡逑１．２．２基于波形分析法的复合材料损伤模式识别研究现状逡逑波形分析法通过对记录和存储的声发射信号进行时频域分析来获取反映声源特逡逑性的特征量
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB33

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本文编号：2556877