碳纖維三維編織復合材料在航空航天、汽車和工業(yè)等工程領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用過程中,不可避免的出現(xiàn)沖擊和碰撞等損傷,進而影響復合材料力學性能及潛在安全隱患的發(fā)生率。因此,深入了解碳纖維復合材料的損傷演變過程中的發(fā)生機制,對其安全服役和延長使用壽命具有較為重要的意義,同時也能夠為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和高性能復合材料生產(chǎn)的提供需求。為此,本文采用數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation,DIC)方法與聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)技術(shù),結(jié)合K-means聚類算法,在碳纖維平紋編織復合材料的拉伸、壓痕和壓縮損傷演變規(guī)律的基礎(chǔ)上,深入探討三維機織和三維四向編織復合材料拉伸損傷過程中AE行為特征、K-means聚類結(jié)果和局部微變形場的變化;依據(jù)復合材料破壞過程中宏觀、微觀形態(tài)變化和本領(lǐng)域研究成果,建立了特定故障AE信號與損傷機制之間的相關(guān)性;此外,根據(jù)復合材料破壞過程中的AE特征信號時域特征,采用哨兵函數(shù)及AE信號b值處理方法,分別對其損傷歷程進行分析,深入研究了復合材料破壞過程中的動態(tài)演變過程。實驗結(jié)果表明:(1)碳纖維復合材料損傷過程中的AE相對能量、撞擊累積數(shù)及幅度等特征參數(shù)反映了復合材料內(nèi)部損傷演化過程;在復合材料臨界失效點附近,出現(xiàn)較多高持續(xù)時間、高幅度AE信號,并且撞擊累積數(shù)明顯增加。(2)在準靜態(tài)壓痕載荷較小時,平紋編織復合材料表面損傷面積較小,并對其殘余壓縮強度影響不大;當壓痕載荷達到40 kN時,壓痕損傷導致復合材料出現(xiàn)大量分層、纖維斷裂和局部區(qū)域的損傷穿透,而實際損傷狀況導致復合材料殘余壓縮強度明顯下降,并且斷裂形式由復合形破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选?3)平紋編織復合材料、三維機織復合材料和三維編織復合材料的AE損傷演變規(guī)律上存在差異,但是AE信號的聚類結(jié)果相似。相對于AE峰值幅度,頻率分布對復合材料損傷源的特征識別展現(xiàn)出較好的優(yōu)越性,并基于該領(lǐng)域研究成果,建立不同損傷模式的頻率分布范圍:0-50 kHz的低頻AE信號對應(yīng)基體開裂;50-150 kHz的中頻AE信號對應(yīng)纖維/基體脫粘;250-600 kHz的高頻AE信號對應(yīng)纖維斷裂。(4)根據(jù)復合材料瞬時機械能和AE能量之間的動態(tài)關(guān)系,可以有效獲取不同載荷水平下?lián)p傷模式演變信息,簡化了對復合材料損傷演化規(guī)律探究的信號處理方式;AE信號的b值時域分布變化,可以有效的提取試樣內(nèi)部裂紋出現(xiàn)的擴展狀態(tài)和判定其即將失穩(wěn)擴展的載荷水平。(5)平紋編織復合材料和三維機織復合材料,在低應(yīng)變水平下,試樣表面應(yīng)變場變化較均勻,并隨著平均應(yīng)變水平的提高,出現(xiàn)隨機局部應(yīng)變集中點;針對三維編織復合材料的表面應(yīng)變場,在低平均應(yīng)變水平下,應(yīng)變集中點首先出現(xiàn)在紗線交織區(qū)域,并隨著平均應(yīng)變水平的提高,高應(yīng)變區(qū)域沿紗線的橫向和縱向發(fā)展,最終形成以編織紗線為受載主體的鋸齒狀應(yīng)變集中帶。
【學位單位】：河北大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB332
【部分圖文】：

研究背景的復合材料通過不同順序和角度的紡紗拼接而成，進而形成“層”的概的結(jié)構(gòu)缺陷導致力學性能的下降，如：弱抗面內(nèi)切強度及低的橫向拉實際需求范圍[1-3]。三維編織復合材料是綜合現(xiàn)代復合材料和編織技材料，通過長短纖維規(guī)律交織而成的復雜形狀織物增強體，通過在增強，客服了經(jīng)典層合板層間剪切強度低的缺點。此外，該種材料在強勞和耐腐蝕等方面也展示出優(yōu)越性能。由于三維編織技術(shù)的可設(shè)計性料空間結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的調(diào)整，織造成型各種規(guī)則形狀或異性的整體結(jié)構(gòu)的整體性以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的可設(shè)計性，使得其受到航天航空、能源程領(lǐng)域的青睞[4-9]。近年來，隨著編織織造技術(shù)的成熟和工藝成本下為主承力構(gòu)件的實際應(yīng)用范圍，并提升了潛在應(yīng)用價值。圖 1-1 為三實際工程中的應(yīng)用。

圖 2-1 平紋編織復合材料的示意圖和三維編織預制體制備通過 RTM 方法進行固化處理而制成的三維編織和三維，實際操作流程如圖 2-2 所示。三維編織碳纖維/環(huán)氧700-12 K 碳纖維，母向花節(jié)長度 7±0.5 mm/個花節(jié)。樹脂為主體的基體材料進行模具成型，最終制得尺寸為料試樣。試樣的具體編織結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)如表 2-1 所將復合材料板狀構(gòu)件經(jīng)過機械加工，制得長 220 mm，在試件兩端均粘貼 50 mm×25 mm 鋁質(zhì)加強片以減小夾組測試數(shù)目 4 個。合材料采用 12 k 碳纖維橫向紗和緯紗以及 3 k 碳纖維接標準 ASTM D3039 / D3039M-14，將其切割成長方形，

圖 2-2 編織復合材料的制備流程圖表 2-1 三維四向編織復合材料的工藝參數(shù)號 編織角度/° 纖維體積/% 厚度/mm 密度1 30 55 2.2 2 30 55 4.2 能測試紋編織拉伸、壓縮和壓痕測試能試驗機（CMT5305）上，以 1mm / min 的速度進行碳纖維平紋復合驗，如圖 2-3 所示。在拉伸載荷條件下，通過使用 AE 信號采集系統(tǒng)損傷演變的 AE 信號。兩個 RS-54A 寬頻帶傳感器(100-900 kHz)用膠試樣表面上，它們之間的距離為 55 mm，采樣頻率設(shè)置為 3.5 MHz。
【參考文獻】

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本文編號：2893071