基于BP神经网络的三维编织复合材料缺陷超声波检测技术研究

本文阐述小波包变换处理三维编织复合材料缺陷的A扫描回波信号，提取缺陷信号被分解后表示为能量特征，并将缺陷特征值作为BP神经网络的输入的实现方法，通过BP神经网络实现对三维编织复合材料微裂纹和孔隙的分类识别，实现对三维编织复合材料缺陷自动化识别。实验结果证明系统的可行性。 本课题的研究工作，为进一步研究三维编织复合材料的超声波检测奠定了一定的基础。     

基于碳纳米线的三维编织复合材料制件内部缺陷检测研究

使用碳纳米线作为传感器对三维编织复合材料制件内部缺陷进行无损检测。描述了碳纳米线嵌入三维编织复合材料制件的基本方法,分析了碳纳米线的力学特性。测试结果表明,嵌入的碳纳米线电阻与三维编织复合材料制件的拉伸应变具有很好的线性关系。并采用电阻响应面理论分析了三维编织复合材料制件的内部缺陷,其结果与扫描电镜显示的结果一致,说明碳纳米线应用于三维编织复合材料制件无损检测可行。该方法为三维编织复合材料制件的无损检测提供了一种新技术。     

基于磁通图像的平板三维编织复合材料试件内部缺陷检测

基于量子扰动超导探测传感器超高的磁场灵敏度,将量子扰动超导探测无损检测技术应用于三维编织复合材料平板试件内部缺陷的无损检测。构建了适用于量子扰动超导探测检测需要的薄板中圆形缺陷涡流分布的理论模型。提出了量子扰动超导探测检测平板三维纺织复合材料试件内部缺陷的磁通变化成像算法,利用OPENCV软件对磁通图像进行处理,准确判定三维编织复合材料平板内部缺陷情况。试验结果表明：该方法准确描述了被检测试件缺陷的位置和尺寸;量子振动超导探测磁通成像具备良好的检测和定位的能力;相对于超声波等传统检测技术,量子振动超导探测技术是一种更为先进的三维编织复合材料的无损检测技术。     

基于主成分分析的智能复合材料结构损伤类型识别

针对三维编织复合材料制件结构状态监控的关键问题,提出了基于三维六向编织工艺将碳纳米管纱线嵌入到整体复合材料制件中,构建三维空间结构的智能复合材料的方法,利用损伤指数实现了对智能复合材料制件内部损伤类型的识别,并分析了4组三维六向编织智能复合材料制件的损伤指数表现特征。结果表明:综合损伤指数优于其他3种损伤指数,综合损伤指数可精确识别制件内部损伤的类型;对于三维编织复合材料制件内部空隙类微小损伤,综合损伤指数监测值小于100;对于制件内部裂纹的损伤,综合损伤指数监测值位于300~500;当综合损伤指数监测值大于600时,可判断为试件存在大裂口损伤;基于损伤指数可计算制件内部损伤大小,精度可达到0.073 mm。     

光纤布拉格光栅在复合材料连续状态健康监测中的应用

为实现三维编织复合材料状态健康连续监测,根据三维编织复合材料的编织工艺,将光纤布拉格光栅(FBG)传感器嵌入到复合材料制件中,分析拉伸承载下的制件内部应变与FBG传感器信号变化的关系.实验结果表明,FBG传感器信号与制件应变具有较好的线性关系,复合材料的表面编织角对FBG的信号具有一定影响,嵌入FBG传感器对复合材料的...     

基于碳纳米线传感器的三维六向编织复合材料内部损伤定位

为研究三维编织复合材料的实时结构健康状态监控,针对三维六向编织复合材料编织结构,采用三维四步六向编织方法将碳纳米线传感器以轴向纱和六向纱形式嵌入复合材料中,提出了一种构建智能三维复合材料的方法,建立了基于碳纳米线的三维编织复合材料试件内部损伤监测系统。基于碳纳米线测量的电阻值矩阵,采用四分矩阵奇异值分解方法分析信号矩阵的主要特征,计算试件内部的损伤准确位置。实验采用5种不同类型损伤试件进行分析,结果表明,该方法计算的试件内部损伤位置与实际损伤一致,测量的损伤位置坐标误差小于1。该研究可为智能三维编织复合材料的健康监测发展提供理论基础。     

基于碳纳米管纱线扭电能的复合材料损伤监测

为实现航天结构制件内部损伤的全面监测,基于碳纳米管纱线扭电能特征的发现,提出了航天结构制件内部损伤实时监测新方法。采用三维六向编织技术将碳纳米管纱线嵌入到航天复合材料结构制件中,构建了新型的智能三维复合材料;证明了制件内部产生损伤时,内部的碳纳米管纱线捻度发生变化可产生扭电能;采用主成分分析和损伤指数理论对碳纳米管纱线的扭电能数据进行分析。结果表明:三维编织复合材料试件内部的树脂断裂、孔洞和试件的微小裂纹可引起扭电能的变化,碳纳米管纱线扭电能对于试件内部损伤具有很高的识别能力,损伤识别精度达到0.002 mm,该研究对推进航天结构的智能监测具有重要意义。     

三维编织复合材料压缩损伤声发射特性分析

论述了声发射技术在三维编织复合材料压缩过程中的应用及实验方法,给出了声发射在三维编织复合材料中压缩过程的特征。结果表明,声发射参数可描述复合材料在不同情况下内部变形的损伤机制。表面编织角是影响三维编织复合材料力学性能的主要参数,编织角小于30°,三维编织复合材料具有较好的压缩性能;编织角大于40°,三维编织复合材料压缩力学性能明显降低。为分析复合材料的力学性能,改善材料复合工艺提供理论基础。     

三维编织复合材料中纤维束走向的研究

本采用计算机图像分析技术，重点对三维编织复合材料微观结构中纤维束的走向进行了研究，结果表明，在三维编织复合材料中纤维束呈直线状态，并计算了内部编织角与表面编织的关系式。     

开孔三维编织复合材料的压缩性能

为研究机械开孔对三维编织复合材料压缩性能的影响,测试了2种三维编织复合材料试验件的压缩性能。1种为基本编织(100%编织纱)结构,另1种为含有编织纱/轴向纱(58/42)的结构,试验件编织角约为±12°。根据相关标准要求,分别进行有开孔和无开孔的复合材料试验件准静态压缩试验,并与层合板的压缩性能进行对比。研究结果表明:2种三维编织结构无缺陷材料的压缩强度较为接近,但引入开孔后,无增强纱结构可保留更高比列的压缩强度;引入开孔后,2种三维编织复合材料保留的压缩强度均高于层合板;在失效形式上,2种三维编织复合材料的宏观失效形式较为相似,均为剪切失效,表现出横向断裂且无分层现象。     

嵌入碳纳米线的三维编织复合材料损伤监测

为实现对三维编织复合材料制件损伤情况进行实时监测,提出了通过三维五向四步法在三维编织复合材料中嵌入碳纳米线传感器的方法,由于碳纳米线传感与碳纤维具有相似性,因此碳纳米线嵌入三维编织复合材料制件的对其承载性能几乎没有影响。通过三点弯曲实验分析了碳纳米线在三维编织复合材料制件遭受外界应力时其电阻变化率与应力应变的相关性。实验结果说明显示其相关性为指数拟合关系,因此,三维编织复合材料的损伤状况可通过嵌入其中的碳纳米线传感器的电阻变化率与制件所承载的应力应变函数映射关系来进行实时监测。     

基于SQUID的复合材料承载电气特性

描述了三维编织复合材料的电阻测试基本方法,针对材料的特性,采用SQUID技术研究三维编织复合材料的电磁参数测试方法,分析了不同载荷下材料的电阻、电磁变化规律。试验结果表明：三维编织复合材料的电气特性受制造参数和承载方式的影响,三维编织复合材料越厚,电阻值越小;表面编织角越小,电阻越小;纤维含量越高,电阻越小。承载状态下电阻在拉伸较小时呈现出线性增加,当拉伸超过6%时,电阻的增加呈现非线性增加,三点弯曲对电阻有着较大影响,加载时要比卸载时电阻、电磁量变化大。     

Numerical analyses of thermo-mechanical behaviors of 3-D rectangular braided composite under different temperatures

This paper reports numerical analyses of thermo-mechanical behaviors of three-dimensional (3-D) 4-step rectangular braided basalt fiber/epoxy resin composite materials under different temperatures from 60 to 210°C. In the braided composite, the basalt fiber tows were assumed as thermal insensitive material and the mechanical behaviors of the epoxy resin under different temperatures were tested and introduced in microstructure model of the 3-D braided composite. The thermal stress distributions in fiber tows and resins were numerical calculated based on the microstructure model. The influences of fiber tow orientations and braided architectures on the stress distribution along the axial direction and resins have been discussed to characterize the thermal stress under different temperatures. The residual stress in the braided composite induced from the temperature change is also analyzed for the application of the braided composite to different temperature environments. It is expected that such a numerical investigation could be extended to the design of 3-D braided composite applied to high temperatures.     

基于损伤指数的三维编织复合材料结构损伤评估

以嵌入三维编织复合材料的碳纳米线作为拉伸传感器构建智能复合材料,利用主成分分析（PCA）以及T²和Q统计方法,对三维编织智能复合材料结构损伤进行研究。采用主成分方法对三维编织智能复合材料制件的损伤信息进行处理,以无损伤试件作为基准值建立PCA 模型,提出了智能复合材料损伤估计步骤。结果表明：用损伤指数（T² 和Q）与基准值的偏差可描述试件结构损伤程度,有损试件的损伤指数远远大于无损试件的基准值,T² 损伤指数值可以很好地反映试件较大的损伤,Q 损伤指数值较详细地反映了试件的损伤细节;本文方法的计算结果与实际损伤具有很好的吻合性。     

三维编织预制件厚度的超声波在线测量

采用超声脉冲回波法对具有封闭横截面形状的碳纤维三维编织预制件的厚度进行在线测量。分析了超声波在三维编织预制件内的传播原理,建立了由微机、步进电机、齿轮、丝杠和探头组成的A型脉冲回波法检测系统和加压装置。实验结果表明:三维编织预制件内部纤维束倾斜,造成超声波衰减比较严重,但是选用水做耦合剂,在适当的压力和探头频率下,超声法可以透射三维编织预制件,获得预制件的厚度信息;随着预置压力的增大,超声波测试的厚度值趋于稳定;探头频率对测试结果数据影响不明显。     

立体织物在二氧化硅基复合材料方面的应用前景

摘要：连续纤维及其织物增韧的二氧化硅基（SiO2）复合材料具有强度高、韧性好、密度低等特点,是用于天线罩的理想材料。本文从不同增韧方式的成型工艺方法、增韧特点出发,综合评价了用于天线罩的颗粒增韧、晶须增韧和连续纤维增韧二氧化硅基复合材料的研究现状,提出适合于增韧二氧化硅基复合材料的立体织物纤维束结构,其中典型的纤维束交织结构包括2.5D机织、正交三向、三维编织及其衍生结构。最后,结合未来导弹天线罩材料的发展趋势,指出了立体织物在二氧化硅基复合材料方面的广泛应用前景和研究重点。     

基于超声相控阵的机织层合复合薄板试件内部缺陷检测方法

针对机织层合薄板复合材料试件的内部缺陷,采用超声相控阵检测法对其进行超声100%扫查,并对得到的超声定位的缺陷区域进行分析;建立了超声回波A扫描波形图、B扫描图像以及C扫描图像和机织层合板复合材料内部区域缺陷分布的对应关系,分析比较了复合材料试件分别在同时激发4、8、16个晶片(阵元)的条件下得到的超声检测结果图,并在相控阵设置最优条件下对复合材料进行横纵方向超声扫描得到检测图,针对C扫描得到的缺陷扫查图进行定量分析。研究结果表明:扫描得到的超声A扫描波形图、B扫描图像以及C扫描图像在复合材料缺陷的位置上有一一对应的关系,超声相控阵检测法可用于机织层合板复合材料的无损检测及其缺陷的初步评价。     

三维编织复合材料弯曲承载下嵌入碳纳米线的特性分析

为实现三维编织复合材料实时承载监测,基于碳纳米线嵌入三维编织复合材料预制件的方法,分析了嵌入碳纳米线的三维编织复合材料制件,在不同载荷下三点弯曲的碳纳米线应变传感特性,重点分析了制件拉伸和压缩承载下碳纳米线电阻的变化。实验表明：在三点弯曲过程中,制件加载至断裂应变和碳纳米线电阻变化具有单调一致性, 碳纳米线电阻变化符合一定指数函数关系;在大负荷加载后碳纳米线产生电阻滞后现象;制件卸载后,碳纳米线传感器产生残余电阻。研究证明：碳纳米线传感器在弯曲负载下能够实时感知并监测三维编织复合材料结构健康状况,为三维编织复合材料结构健康监测系统的构建提供了参考。