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。     

大尺寸三维编织复合材料结构损伤指数特征

为实现大尺寸三维编织复合材料内部损伤实时监测,针对三维六向编织复合材料的编织特点,将布拉格光栅（ＦＢＧ）传感器嵌入三维编织复合材料预制件中,提出了大尺寸智能复合材料的制作方法。研究了大尺寸复合材料内部ＦＢＧ 传感器的拉伸特性,基于主成分分析方法提出了制件结构损伤检测算法,分析了相同损伤的４ 个制件的损伤指数表现特征。试验结果表明：ＦＢＧ 传感器能准确测量复合材料内部损伤变化;损伤指数可描述试件结构损伤程度。损伤指数Ｔ２ 和综合损伤指数Ｐｈｉ 能迅速诊断制件内部损伤的存在性,对于制件的同一个损伤Ｐｈｉ 指数计算值大于Ｔ２ 指数值,是其２ 倍以上,Ｐｈｉ 指数可用于及时判断制件内部是否产生损伤,Ｑ 指数和Ｉ 指数描述损伤的详细参数更加准确。     

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。     

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。     

编织结构复合材料的编织原理

编织结构复合材料是近年来迅速发展的理想结构复合材料，其最突出的特点是整体性好。力学结构合理，目前，这种材料广泛使用于航空航天，交通运输、石油化工、武器装备、体育用品等诸多领域，本文主要论述编织结构复合材料的二维、三维编织原理。     

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。     

嵌入三维编织复合材料的碳纳米线应变传感特性

为实现三维编织复合材料的原位结构健康监测,研制了嵌入碳纳米线的三维五向编织复合材料预制件,建立了基于三维编织复合材料试件的碳纳米线应变传感实验系统,分析了嵌入三维编织复合材料中的碳纳米线应变传感特性。结果表明：在单调拉伸和循环加载卸载过程中,嵌入三维编织复合材料的碳纳米线传感器电阻变化与试件应变的线性相关性较高;在较大载荷循环加载卸载后,碳纳米线传感器产生的残余电阻可用于检测试件的损伤或累积损伤;引入电阻应变相关系数建立了电阻变化净差值与机械应变净差值的应变传感方程,可实现基于碳纳米线传感器的三维编织复合材料原位结构健康监测。     

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。     

大型自动化三维编织复合材料编织机的开发

三维编织复合材料在航天中应用中具有突出优势,在先进复合材料制造集成中存在自动化程度低,产品均匀度,重复性差等问题。本文根据三维编织复合材料编织工艺特点,研究开发了具有自动化程度高、自动编织的大型三维编织复合材料编织机,具有高效、自诊断故障功能。经几年使用,编织机运行稳定,生产了大量的航天复合材料制件。它为先进智能复合材料的研发与应用提供了依据。     

三维六向编织SiCf/SiC复合材料的力学行为及其损伤机制

为解决陶瓷基复合材料在服役过程中因拉伸和弯曲导致的失效问题,以三维六向编织SiC_f/SiC复合材料为研究对象,分析了受力过程中复合材料力学行为与纤维及结构的联系机制。采用微计算机断层扫描技术获得材料结构及孔隙的三维图像,对复合材料纵向和横向进行拉伸、弯曲性能测试,并阐明其损伤机制。结果表明:复合材料呈现明显的各向异性特性,纵向拉伸强度和弯曲强度分别是横向的10.37、5.06倍;复合材料不同方向受力的损伤模式不同,拉伸载荷下纵向试样裂纹沿着六向纱呈Z字形扩展,而横向试样裂纹沿着编织轴向扩展,最终导致拉伸破坏;弯曲载荷下裂纹沿着厚度方向扩展,并最终导致纵向及横向试样的韧性断裂,且纵向韧性优于横向。     

三维编织复合材料T型梁的低温场弯曲性能

为研究三维编织复合材料T型梁低温环境下的弯曲力学性能,以指导耐低温抗弯曲三维编织复合材料结构设计,采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备不同筋高高度三维编织复合材料T型梁,自制低温环境箱,与MTS 810.23型材料测试系统相结合测试三维编织复合材料T型梁在不同低温下的弯曲力学性能。结果表明:随测试温度的降低,三维编织复合材料T型梁载荷增加,位移增大,能量吸收增加;随筋高高度的增加,三维编织复合材料T型梁载荷增加,位移减小,能量吸收增加,抗弯刚度增强;三维编织复合材料T型梁由较高温度下不同程度的屈服断裂转变为低温下的脆性断裂,随着筋高高度增加,失效模式由弯曲失效转变为剪切失效。     

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。     

三维编织复合材料拉伸微变形的测量与损伤破坏声发射监测

为监测三维四向编织复合材料拉伸过程中的变形与损伤破坏行为,采用声发射(AE)与数字图像相关互补技术,有效获取复合材料表面局部微变形信息和内部损伤源动态演变特征。结果表明:当复合材料拉伸应变值增加到0.45%左右时,纱线交织区域开始出现明显应变集中;随应变水平进一步提高,应变集中分别向纱线横向、纵向扩展,伴随较多AE信号,出现刚度下降;在应变水平接近1.13%时,表面应变场形成以纱线为受载主体的锯齿形应变集中带;基于K-means聚类分析表明,复合材料基体开裂、纤维/基体脱黏和纤维断裂对应的AE幅度分别为40~60、55~100、40~90 dB;随编织厚度增加,复合材料皮芯结构外部区域占比降低,导致材料抗拉强度下降,但AE峰值幅度和频率无明显变化。     

三维全五向编织复合材料的压缩性能

以无碱玻璃纤维为原料,采用四步法1×1编织工艺在全自动模块组合式编织平台上制备三维五向及全五向编织物;以E51环氧树脂、70#固化剂(四氢邻苯二甲酸酐)为树脂基体,与编织物复合制备三维五向及全五向编织复合材料;并利用Instron万能材料试验机对比测试上述编织复合材料的压缩性能,研究轴纱、编织角、纤维体积分数等结构参数对材料压缩性能的影响。结果表明,编织复合材料的压缩性能随着编织角的增大而降低,随着轴纱、纤维体积分数的增大而提高;三维全五向编织复合材料的压缩性能明显好于三维五向编织复合材料。     

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...