T700型碳纤维复合材料疲劳损伤的声学方法研究

发布时间：2020-04-14 02:13

【摘要】：碳纤维复合材料具有比强度高,比刚度大,耐腐蚀,抗高温及重量轻等优良材料性能,广泛应用于高精尖科研领域和其他行业。但碳纤维复合材料在服役过程中,由于长期在恶劣环境中运行,如承受的载荷,疲劳,蠕变,机械损伤等因素,都可能产生不可目视的内部损伤,使碳纤维复合材料的力学性能和使用寿命急剧下降,严重影响了使用性和可靠性。因此发展碳纤维复合材料损伤机理和性能预测的有效检测和评价方法至关重要。本文以T700型碳纤维复合材料为研究对象,对实验试件进行两种实验,加卸载实验与疲劳实验,采用声发射检测技术和非线性超声检测技术进行检测。分析加卸载实验过程中的费利西蒂比和相对非线性系数之间的变化趋势,将费利西蒂比和非线性系数变化曲线与不同加载阶段的对应关系相互验证;在疲劳实验过程中,采集非线性超声信号,分析相对非线性系数与加载周期之间的规律,为复合材料疲劳损伤过程的无损评价与检测技术提供新的思路。基于宏观损伤力学,以单层层合板为研究对象,分析复合材料的力学性能特性;了解不同铺层方式的复合材料疲劳损伤机理,并结合非线性超声检测技术基本原理,分析复合材料损伤过程的非线性效应产生机制。对不同铺层的复合材料加卸载实验过程中,运用声发射检测技术进行监测,得出费利西蒂比随载荷的变化曲线。综合运用声发射参数分析和时域历程分析,反映出损伤的动态变化规律,对试件拉伸损伤不同阶段的声发射特性进行分析。对不同铺层的复合材料加卸载实验过程中,采用非线性超声技术对不同加载阶段进行在线检测,计算试件在不同载荷下的β值。结合声发射费利西蒂比变化趋势,可以看出两种铺层方式的试件的相对非线性系数随着载荷的增加呈现上升趋势,费利西蒂比随着载荷的增加呈现下降趋势,二者曲线的变化规律表现为一致性。其结果说明相对非线性系数可以表征材料中原先所受损伤或结构缺陷的严重程度,可以作为试件静力拉伸实验过程中损伤严重性的新的重要评定判据。通过不同应力比下碳纤维复合材料疲劳试验,分析了不同应力比不同测量位置的相对非线性系数β随加载周期的变化关系。采用高斯函数拟合和二次多项式拟合对以相对非线性系数β为参量的曲线进行拟合,将所得拟合结果对比分析。实验结果显示,每种应力比下,高斯拟合函数的相关性系数都大于二次多项式拟合函数的相关性系数,这说明运用高斯函数拟合对相对非线性系数与加载周期之间的关系的拟合效果更好。定义不同加载周期下β值与疲劳破坏时的βm值的比值为损伤因子D,利用损伤因子D表征材料疲劳损伤严重程度,拟建立T700型碳纤维复合材料非线性超声量化评价方法。
【图文】：

原理图,声发射检测,原理图

出现小鼓包；实验结果还说明三阶相对非线性系数比二阶相对非线性系数对蠕变损伤更加敏感，曲线增加的更加明显[30]。Balasubramaniam 等人利用相同的实验系统对纯铜蠕变实验进行检测。并利用专业探测仪器对测试点周围的空洞密度进行测量，结果表明相对非线性系数与蠕变空洞密度之间存在函数关系，且呈指数函数变化[31]。1.3 声发射检测技术1.3.1 声发射技术简介当材料承受外部载荷作用时缺陷或微观损伤部位会产生应力集中现象，当应力集中达到一定的程度之后材料或结构体产生形变，从而释放应变能产生瞬态应力波，这种现象就是声发射现象（英文全称为 AcousticEmission，英文简称为 AE），也可以称之为应力波发射现象[32]。日常生活中，绝大多数材料都会有声发射现象发生。但通常情况下声发射信号频率不在人耳接收频率范围内，，所以我们需要借助于专业检测仪器来对信号进行接收。利用该检测仪器实现声信号的采集和分析，以此来评价缺陷的严重程度的技术称为声发射检测技术，原理如图 1.1 所示。

模式图,复合材料疲劳,损伤破坏,模式

第二章碳纤维复合材料力学损伤机理及非线性声学表征方法其后界面结合处发生裂纹扩展，层内基体裂纹密度达到一个饱和状态，即（CharacteristicDamageState-CDS），标志着第一阶段向第二阶段的转变；导的损伤模式为纤维断裂，此阶段损伤集中产生，出现大量纤维破坏，最强复合材料层合板失效破坏。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】