碳纤维三维编织复合材料横向变形损伤声发射监测
发布时间：2021-07-23 03:28
利用声发射（Acoustic Emission,简称"AE"）技术和数字图像相关（Digital Image Correlation,简称"DIC"）方法,结合破坏断口形貌,研究三维五向编织复合材料横向拉伸状态下的变形与损伤规律,分析横向拉伸力学响应、表层变形场及声发射信号特征。结果表明:三维五向编织复合材料的横向拉伸极限载荷较小,力学曲线分线性和非线性两个阶段,破坏曲线为非线性,与横向拉伸破坏机理有关。撞击累计数的递增趋势能较好地反映材料的损伤演化过程。三维编织复合材料横向拉伸破坏断口沿纤维编织方向呈非平齐状,失效模式主要为基体开裂和纤维脱粘以及少量的纤维断裂。表面全场信息很好地反映了材料横向拉伸损伤演化特征,为三维编织复合材料结构健康监测提供了依据。
【文章来源】：复合材料科学与工程. 2020,(03)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
试件及传感器布置示意图
图8为三维五向编织复合材料试件沿加载方向的应变场分布图,由图8可以看出,在复合材料试件横向拉伸过程中,相同的载荷增量,随载荷的增加,最大拉应变分别为0.003010 ε、0.1280 ε、0.002290 ε,最大拉应变呈现一个先增加后减小的趋势,最终试件损伤在拉应变为0.002290 ε的位置。加载初期,载荷较小时,试件应变集中区域大体在试件表面呈现点状均匀分布,此时试件为切割后的试样,进而在微小载荷作用下,出现了边缘部分的基体开裂及边缘纤维的松散化。随着载荷的增加,复合材料试件表面高应变区域沿纤维编织方向呈现带状分布,基体开裂损伤累积,编织纱与试样切割交界处的轴向纱与编织纱的紧密程度下降,逐渐散开,发生部分界面脱粘。加载后期,试件全场应变呈现非均匀分布,其原因可能是三维编织复合材料试件中纤维编织方式的复杂性及其在横向拉伸过程中同时受到较大的挤压应力和拉伸应力。破坏末期,由于裂纹的扩展及大范围的纤维脱粘,试件出现了大规模的应变集中区域,随着载荷达到峰值而完全失效。由此可以看出由DIC方法得到的试件表面位移场和应变场较为清晰地反映了试件的损伤破坏特征。3 结 论
在横向拉伸实验中,使用CMOS相机对不同载荷状态下的三维编织复合材料试件表面散斑图像进行采集,采集速率为2帧/s。通过DIC方法计算得到试件表面的位移场和应变场,从而来评估三维编织复合材料试件横向拉伸过程中的损伤特征。图7为试件水平方向和加载方向的位移场分布,其中u为试件沿水平方向的位移场分布,v为沿加载方向的位移场分布。由图7可知,当载荷从0.227 kN增加至0.287 kN,从0.347 kN增加至0.407 kN,从0.467 kN增加至0.527 kN时,加载方向位移场大体沿纤维编织方向呈锯齿带状分布,对于相同的载荷增量,试件加载方向和水平方向的位移场随载荷增加呈现一个先增加后减小的变化趋势,且加载方向的位移远大于水平方向的位移。从图7(a)可以看出,在加载初期,试件加载和水平方向的位移变化量均较小,与试件加载初期声发射能量较低且AE信号较少一致。由图7(b)可知,在0.347 kN增加至0.407 kN的过程中,试件加载方向和水平方向的位移场分布大体为同色,并无差异分布,表明试件的一小部分有一个整体上移,这可能与复合材料试件基体表面开裂行为有关。由图7(c)可知,在0.467 kN增加至0.527 kN的过程中,水平方向位移场存在位移为0.2566 μm的较大不规则区域,表明试件将要失效。图7 试件水平方向位移场和拉伸方向位移场
本文编号：3298498
【文章来源】：复合材料科学与工程. 2020,(03)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
试件及传感器布置示意图
图8为三维五向编织复合材料试件沿加载方向的应变场分布图,由图8可以看出,在复合材料试件横向拉伸过程中,相同的载荷增量,随载荷的增加,最大拉应变分别为0.003010 ε、0.1280 ε、0.002290 ε,最大拉应变呈现一个先增加后减小的趋势,最终试件损伤在拉应变为0.002290 ε的位置。加载初期,载荷较小时,试件应变集中区域大体在试件表面呈现点状均匀分布,此时试件为切割后的试样,进而在微小载荷作用下,出现了边缘部分的基体开裂及边缘纤维的松散化。随着载荷的增加,复合材料试件表面高应变区域沿纤维编织方向呈现带状分布,基体开裂损伤累积,编织纱与试样切割交界处的轴向纱与编织纱的紧密程度下降,逐渐散开,发生部分界面脱粘。加载后期,试件全场应变呈现非均匀分布,其原因可能是三维编织复合材料试件中纤维编织方式的复杂性及其在横向拉伸过程中同时受到较大的挤压应力和拉伸应力。破坏末期,由于裂纹的扩展及大范围的纤维脱粘,试件出现了大规模的应变集中区域,随着载荷达到峰值而完全失效。由此可以看出由DIC方法得到的试件表面位移场和应变场较为清晰地反映了试件的损伤破坏特征。3 结 论
在横向拉伸实验中,使用CMOS相机对不同载荷状态下的三维编织复合材料试件表面散斑图像进行采集,采集速率为2帧/s。通过DIC方法计算得到试件表面的位移场和应变场,从而来评估三维编织复合材料试件横向拉伸过程中的损伤特征。图7为试件水平方向和加载方向的位移场分布,其中u为试件沿水平方向的位移场分布,v为沿加载方向的位移场分布。由图7可知,当载荷从0.227 kN增加至0.287 kN,从0.347 kN增加至0.407 kN,从0.467 kN增加至0.527 kN时,加载方向位移场大体沿纤维编织方向呈锯齿带状分布,对于相同的载荷增量,试件加载方向和水平方向的位移场随载荷增加呈现一个先增加后减小的变化趋势,且加载方向的位移远大于水平方向的位移。从图7(a)可以看出,在加载初期,试件加载和水平方向的位移变化量均较小,与试件加载初期声发射能量较低且AE信号较少一致。由图7(b)可知,在0.347 kN增加至0.407 kN的过程中,试件加载方向和水平方向的位移场分布大体为同色,并无差异分布,表明试件的一小部分有一个整体上移,这可能与复合材料试件基体表面开裂行为有关。由图7(c)可知,在0.467 kN增加至0.527 kN的过程中,水平方向位移场存在位移为0.2566 μm的较大不规则区域,表明试件将要失效。图7 试件水平方向位移场和拉伸方向位移场
本文编号：3298498
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