發(fā)布時間：2019-11-06 20:08

【摘要】：針對碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理的復(fù)雜性,采用實驗和數(shù)值相結(jié)合的方法研究了開孔復(fù)合材料層合板在拉伸加載下漸進(jìn)損傷失效過程;應(yīng)用聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)和數(shù)字圖像相關(guān)方法(Digital Image Correlation,DIC)同步實時監(jiān)測損傷進(jìn)程,實時獲得復(fù)合材料內(nèi)部損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號特征和表面應(yīng)變場的變化,提取聲發(fā)射信號的峰值頻率用以識別復(fù)合材料的損傷模式,利用損傷形成的應(yīng)變場局部化特征,選擇局部應(yīng)變場的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差值以描述損傷程度;構(gòu)建基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)(Continuum Damage Mechanics, CDM)的纖維增強復(fù)合材料層合板漸進(jìn)損傷本構(gòu)模型,并對開孔層合板進(jìn)行了漸進(jìn)損傷數(shù)值模擬。本文主要包括以下幾個方面的內(nèi)容:(1)為了深入分析碳纖維復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理,對七種不同鋪層的試樣在拉伸過程中獲得的AE信號參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析,由統(tǒng)計結(jié)果獲得了復(fù)合材料的纖維基體界面剝離、分層、基體損傷、纖維抽拔和纖維斷裂分別與AE信號五種峰值頻率分布范圍的對應(yīng)關(guān)系。(2)針對單個AE信號中除了峰值頻率表征的損傷特征外還隱含著其它損傷類型的問題,提出了增加去相關(guān)算法的總體平均經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Decorrelation Ensemble Empirical Mode Decomposition,DEEMD)方法,消除EMD (Empirical Mode Decomposition)方法中存在的模態(tài)混疊現(xiàn)象,有效分離AE信號中包含的幾種損傷模式對應(yīng)的峰值頻率特征,在此基礎(chǔ)上,提出了基于DEEMD方法的復(fù)合材料層合板損傷模式的AE峰值頻率判斷方法及判斷流程,對聲發(fā)射技術(shù)在復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測的實際應(yīng)用有指導(dǎo)意義。(3)提出了一種含孔復(fù)合材料層合板損傷演化的實驗表征方法。在DIC全場測量與實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上,選擇能夠表征局部損傷演化的應(yīng)變值作為關(guān)鍵參量,提出了基于應(yīng)變帶的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差值的損傷演化定量表征。基于聲發(fā)射累積能量計數(shù)和多種損傷模式的累積事件數(shù)可對復(fù)合材料的損傷進(jìn)行定性和定量的表征,建立了基于聲發(fā)射累積效應(yīng)的損傷變量,并給出了損傷演化方程。(4)建立了基于CDM纖維增強復(fù)合材料層合板漸進(jìn)損傷三維有限元模型。研究了三維應(yīng)力狀態(tài)下復(fù)合材料層合板的四種損傷模式:基體損傷、纖維斷裂、分層及纖維基體剪切損傷(纖維抽拔),四種損傷模式的損傷萌生由失效準(zhǔn)則控制,失效準(zhǔn)則采用了以應(yīng)變?yōu)閰⒘棵枋龅挠蒐inde失效準(zhǔn)則和Hashin失效準(zhǔn)則組成的混合失效準(zhǔn)則。損傷演化由損傷變量控制,損傷變量采用了改進(jìn)的指數(shù)形式非線性演化模型,該模型考慮了應(yīng)變耗散能對損傷變量演化的影響,并給出了應(yīng)變耗散能的計算公式,同時引入了損傷變量不可逆的增長方式。將本文建立的復(fù)合材料本構(gòu)方程、損傷萌生準(zhǔn)則和損傷擴(kuò)展準(zhǔn)則集成到由ANSYS有限元軟件的二次開發(fā)語言APDL編寫的有限元分析相應(yīng)程序中,對開孔單向板和雙向板進(jìn)行了漸進(jìn)損傷模擬,獲得了層合板幾種損傷模式的演化過程,數(shù)值分析結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好,驗證了本文所建三維有限元模型的有效性。
【圖文】：

過程中會產(chǎn)生各種損傷類型，主要包括：纖維斷裂（ｆｉｂｅｒ邋ｆａｉｌｕｒｅ）、纖維基體的界面剝逡逑離（ｆｉｂｅｒ／ｍａｔｒｉｘ邋ｄｅｂｏｎｄｉｎｇ）、基體開裂（ｍａｔｒｉｘ邋ｃｒａｃｋｉｎｇ）、纖維抽拔（ｆｉｂｅｒ邋ｐｕｌｌ－ｏｕｔ）和分逡逑層（ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）等損傷模式［７］（圖１．１），這些損傷的發(fā)生時刻、發(fā)展過程和發(fā)生量逡逑等對復(fù)合材料損傷程度的判定至關(guān)重要。各種損傷的發(fā)生可產(chǎn)生相應(yīng)的聲發(fā)射信號，逡逑需要從大量的聲發(fā)射信號中分辨出不同的損傷模式。從目前的文獻(xiàn)看，用于纖維增逡逑強復(fù)合材料的聲發(fā)射損傷模式分類方法主要有以下三種：參數(shù)分析法、波形分析法逡逑和模式識別算法。逡逑２逡逑

合材料損傷時ＡＥ信號峰值頻率分布范圍與損傷模式的關(guān)系進(jìn)行了研究，兩者的研逡逑究結(jié)果也不盡相Ｎ。Ａｒｕｍｕｇａｍ等１Ｍ）１研究時發(fā)現(xiàn)，—ＡＥ信號的頻域分析中存在逡逑多個峰值（圖１．２），他認(rèn)為采集的一個ＡＥ信號中包含了多個損傷機(jī)理對應(yīng)的信息，逡逑但是他并沒有把幾種損傷模式從一個ＡＥ信號中分離出來。眾多學(xué)者在對復(fù)合材料逡逑損傷時的ＡＥ信號的頻域分析研究中使用的試樣、研究方法及策略有所不同，得到逡逑的結(jié)果也不盡相同，但是研究結(jié)果表明，ＡＥ信號的峰值頻率能夠很清楚的區(qū)分復(fù)逡逑合材料的損傷模式。對于復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)而言，探尋合適的實驗方法能夠應(yīng)用逡逑頻域分析識別和驗證復(fù)合材料的損傷機(jī)理，并且選擇恰當(dāng)?shù)男盘柼幚矸椒▽Γ粒判佩义咸栠M(jìn)行深入分析，以獲得ＡＥ信號中除了峰值頻率對應(yīng)的損傷模式外隱含的損傷機(jī)逡逑理。逡逑ＦＦＴ邋ｏｕｔｐｕｔ逡逑２｜邐；邐＊邐■邐，邐逡逑ｐＴ＇邐ｙ＊－賽｜》成３纖維基逆逡逑Ｉ邐纖維抽拔ｊ邋＃邐＼逡逑１邋，，邐Ｊ邐＼逡逑一邋ｈ逡逑０邐１００邐２００邐３００邐４００邐５００逡逑Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋（ｋＨｚ）逡逑圖１．邋２ＡＥ信號的頻率分布［３ｔ＞１逡逑Ｆｉｇ．邋１．邋２邋Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋ｄｏｍａｉｎ邋ｏｆＡＥ邋ｓｉｇｎａｌ逡逑１．２．２基于波形分析法的復(fù)合材料損傷模式識別研究現(xiàn)狀逡逑波形分析法通過對記錄和存儲的聲發(fā)射信號進(jìn)行時頻域分析來獲取反映聲源特逡逑性的特征量
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB33

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本文編號：2556877