压缩载荷下复合材料分层损伤演化声发射监测及应变分析

通过单向玻璃纤维/环氧复合材料试件的单轴向压缩实验,结合声发射及应变电测技术,研究含直径分别为5mm和10mm两种圆形分层复合材料损伤演化特性,并探讨了试件的压缩损伤破坏过程。结果表明,在压缩载荷作用下,两类分层直径试件的破坏路径基本一致,层间破坏机理相同。分层缺陷面积的大小对试件的承载能力有较大影响,分层缺陷面积越大,试件的承载能力降低,试件的破坏程度加剧。载荷-纵向应变曲线由线性变化到近似线性变化再到非线性变化的过程与声发射信号分析结果较吻合。     

四点弯曲载荷作用下复合材料分层演化行为探索

为探索玻璃纤维增强复合材料在四点弯曲载荷作用下分层演变行为及分层缺陷对复合材料承受负荷能力和服役期限的影响,经过设置相异位置的人为分层缺陷,在万能试验机上对试样实施四点弯曲试验,由声发射记录全过程,并通过试样的撞击累积-时间-幅度历程图、载荷-时间-相对能量历程图、声发射撞击信号定位图等判断复合材料分层损伤的破坏程度。结果表明,接近试件表面的分层缺陷加快了材料破坏扩展进程,分层缺陷所在的位置很大程度地改变了复合材料的弯曲性能,分层缺陷越靠近试件表面,对试件损害力度越大,试件服役能力越差。     

基体韧性对复合材料正交迭层板抗损伤性能的影响

本文报道基体韧性对[0_2~0/90_2~0]_2、[90_2~0/0_2~0]_2与[+45_2~0/-45_2~0]_3正交迭层极抗损性能的影响。主要阐述了基体的韧性与三种正交板产生初始损伤的应变值以及损伤发展特征的关系。实验结果表明:基体增韧后,能够增大复合材料单向板横向与45°方向的拉伸变形能力,延缓正交板初始损伤的发生;增加基体材料的韧性,单向板的层间断裂韧性增大,有利于阻止裂缝在正交板中的扩展,延缓分层的发生及减轻损伤程度。     

碳纤维复合材料结构电阻特性研究

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的电阻特性,制作了3种不同铺层的试件(单向层合板[0]8、[90]8与交叉层合板[45/-45/90/0]),对试件端部进行了粘接铜箔处理以使试件稳定导电,分别测量试件电阻并对数据进行分析。结果表明,对比电阻值和电导率两个方面都得到了相似的结果,即铺层角度对碳纤维层板结构导电性有较大影响;定量比较3种不同铺层角度试件的电导率发现,[45/-45/90/0]铺层试件的平均电导率约为[0]8铺层试件的0.7倍,约为[90]8铺层试件的60倍。     

碳纤维复合材料层合板面内压缩损伤及声发射特征分析

针对碳纤维复合材料层合板面内压缩损伤问题,基于声发射技术分析不同损伤阶段的声发射信号特征。根据加载过程中时间–载荷曲线以及试样破坏断面微观形貌,将损伤过程分为三个阶段:初始损伤阶段主要产生少量基体开裂与纤维–基体界面脱粘,裂纹迅速扩展阶段开始产生纤维剪断以及失稳变形,平稳损伤阶段主要产生失稳变形以及分层裂纹扩展。结合声发射信号的振幅、振铃计数研究损伤过程,并基于小波变换进行损伤信号的时频分析,发现不同损伤类型可通过声发射振幅及频率特征有效识别。     

碳纤维编织复合材料拉伸变形测量及声发射监测

采用声发射和数字图像相关互补技术,结合破坏断口微结构特征,研究碳纤维编织复合材料的损伤变形与失效机理。在复合材料试件拉伸加载的同时,实时获取变形特征和损伤声发射信号,分析复合材料力学响应与位移场、声发射特征的关系。结果表明,复合材料试件实时拉伸位移场、损伤破坏过程的声发射相对能量、撞击累积数及幅度等特征参数反映了复合材料表面变形与内部损伤演化过程。复合材料试件断裂时出现较多高持续时间、高幅度、高相对能量的声发射信号,宏观断口平齐,表现为脆性断裂。     

风电叶片复合材料在三点弯曲过程中的声发射研究

为研究风电叶片复合材料损伤破坏的声发射特性以及复合材料的力学性能,对含有纤维预断试件和无纤维预断的完好试件分别进行了三点弯曲力学性能试验,并在加载过程中采用声发射检测仪实时监测整个损伤破坏过程。对采集到的声发射信号处理分析,便可获得风电叶片复合材料的弯曲力学性能和损伤破坏的声发射特性。试验结果表明:玻璃纤维复合材料在弯曲载荷作用下出现典型的破坏特征包括纤维断裂、纤维/基体脱胶和纤维分层。纤维预断试件的声发射信号波形最高幅度达到2.5 V,频带分布在20~300 k Hz范围;无纤维预断试件的声发射信号波形最高幅度为0.07 V,频带分布在10~180 k Hz之间。     

不同铺层复合材料螺栓连接的研究

实验研究了在E/D=4(边距/孔径),W/D=5(宽度/孔径)的3种铺层[90/+45/-45/0]s,[90/0/+45/-45]s,[+45/-45/90/0]s的玻璃纤维/环氧复合材料试样在不同的扭矩和垫片尺寸(外径(Dw)/内径(D))下的静态破坏强度。实验结果表明,试样破坏强度随夹持力增大而增大,但增加趋势不断减弱,在5Nm扭矩下三种铺层的强度分别比其销钉连接增大175%,196%,141%;在销钉连接下,[90/+45/-45/0]s铺层强度比[90/0/+45/-45]s铺层高12.7%,[+45/-45/90/0]s铺层强度比[90/+45/-45/0]s铺层高10.8%;在手动拧紧下[90/+45/-45/0]s铺层强度比[90/0/+45/-45]s铺层高3.5%,而[+45/-45/90/0]s铺层强度比[90/+45/-45/0]s铺层高0.37%;垫圈的外内径比在2～3范围内,试样强度伴随外内径比的增大而增大,在3～4时,强度变化很小。     

风电叶片复合材料层间剪切破坏声发射监测

采用声发射技术对含分层缺陷风电叶片多轴向复合材料的层间剪切破坏实验进行实时监测,研究分层缺陷对复合材料层间力学性能的影响规律及其损伤破坏过程的声发射响应特征.结果表明,具有不同分层面积的两类复合材料试样破坏载荷相近,当分层缺陷位于剪切面中间位置时,分层缺陷大小对界面承载能力影响不大,损伤演化主要集中在剪切面上偏离中心两...     

PE-UHMW /PE-LD层合板拉伸破坏声发射信号参数相关性分析

研究了超高相对分子质量聚乙烯抵密度聚乙烯( PE-UHMW /PE-LD)单向层合板拉伸破坏过程中的声发射信号参数之间的相关性,并进行了主成分分析。结果表明,声发射参数间存在较强的相关性,其中[0]层合板(加载方向与纤维方向平行)持续时间和振铃计数之间相关系数达到0.976,[90〕层合板(加载方向与纤维方向垂直)振幅和振铃计数之间相关系数达到0.8。主成分分析显示[0]和[90]层合板第一主成分主要反映上升时间、持续时间等信号的时域特点,第二主成分主要反映峰值频率、频率重心等信号的频域特点。通过[90〕层合板声发射信号的主成分得分图,显示出界面裂纹产生、扩展和界面分离等不同损伤模式对应不同的主成分得分。     

复合材料胶接修补界面损伤演化声发射监测

利用声发射技术实时监测四点弯曲载荷作用下含纤维断裂玻璃纤维增强复合材料胶接修补后试件的损伤演化过程,结合声发射信号统计分析方法,研究贴补片尺寸对修复效果的影响。结果表明,弯曲载荷作用下,两类贴补修补试件破坏模式均以贴补界面开裂为主,随着胶接修补贴补面积的增加,试件失效载荷呈增大趋势。贴补修补片长度为90mm时,其破坏载荷约为未修补试件破坏载荷的2倍。修补试件损伤破坏过程与对应声发射特征表现出良好的相关性,声发射信号统计性描述方法能够有效用于评估胶接修补复合材料试件的微损伤演化行为。     

基于小波分析的复合材料层间损伤声发射行为

通过实时监测含分层复合材料加载破坏下缺陷演化的声发射信号,应用VBScript将波形数据串联成数据流进行分析,获取复合材料层间破坏的声发射响应特征。结果表明,复合材料Ⅰ型层间开裂过程中伴随有纤维损伤,而Ⅱ型只有基体开裂,从而导致Ⅰ型、Ⅱ型分层扩展过程中的声发射能量有很大差异;频谱分布图中,Ⅰ型破坏过程出现了两个波峰,两峰所对应的频率值即为树脂和纤维受载破坏的主要频率,Ⅱ型只有一个峰值。可以利用该结论为风电叶片复合材料分层破坏形式的识别提供借鉴。     

岩石微观能量演化与宏观力学行为的关联研究

通过三轴应力条件下大尺度岩石破坏声发射试验,得到了三类岩石(花岗岩、砂岩、大理岩)破坏全过程力学特征和声发射特征.试验过程中记录到大量的声发射信息,能够反映岩石试件内部每一个损伤(微裂纹)发生的时间、地点和强度.通过声发射速率过程理论分析,导出声发射累积能量释放的表达式,该表达式反映了岩石破坏过程中的损伤演化状况.此外,对三类岩石的损伤本构行为进行了研究.结果表明,该理论计算模型可以反映岩石类脆性材料的损伤本构行为,进而对其宏观力学行为进行描述.     

碳纤维薄壁管溃缩变形模式和吸能机理研究分析

通过铺放和缠绕组合工艺制备[0°/90°]、[±45°₂/0°/0°/90°/0°]、[±45°]、[64°₂/0°₂/64°₂/0°₂/64°₂]四种不同铺层角度的碳纤维薄壁管试件,并在试件端部设置开槽和开孔的触发机制。对试件进行轴向准静态压缩和电镜扫描,研究不同铺层角度试件的变形压溃模式和吸能机理。结果表明,不同铺层角度试件的变形模式不同,[0°/90°]试件呈钻石模式,[±45°]试件呈塔型渐变模式,[64°₂/0°₂/64°₂/0°₂/64°₂]呈开花模式变形,[±45°₂/0°/0°/90°/0°]试件变形介于[0°/90°]和[64°₂/0°₂/64°₂/0°₂/64°₂]试件变形模式之间。其中,[±45°...     

铝合金与碳纤维复合材料自冲铆接强度影响因素研究

分别采用厚度为2. 5 mm不同轴向碳纤维复合材料板和2. 5 mm 5052铝合金板进行自冲铆接实验,分析其接头的成形质量;利用万能拉伸试验机对其进行拉伸试验,并分析接头的失效形式。结果表明,相同轴向碳纤维复合材料板,7 mm铆钉接头质量和拉伸强度均优于6 mm铆钉接头质量和拉伸强度。7 mm铆钉的连接件拉伸强度比使用6 mm铆钉的拉伸强度,在[0/90]4铺层时增加了25. 45%,[0/180]_4铺层时进增加了13. 77%,[-45/45]_4铺层时增加了21. 12%;相同铆钉高度不同轴向时,接头质量并无明显差异,但最大载荷不同。高度6 mm铆钉时连接强度,[0/90]_4铺层比[0/180]_4铺层增加了29. 34%,[-45/45]_4铺层比[0/90]4铺层增加了16. 20%;高度7 mm铆钉时连接强度,[0/90]_4铺层比[0/180]_4铺层增加了42. 63%,[-45/45]_4铺层比[0/90]_4铺层增加了12. 18%。铆接件失效形式主要是铆钉从复合材料板处拉脱。在相同轴向下失效位移大致相同。     

基于声发射的三点弯曲混凝土梁损伤演化表征

基于声发射多角度分析了三点弯曲作用下混凝土梁损伤演化特征.通过声发射事件计数、振铃计数、能率和幅频极值等多参数分析,定性研究了混凝土梁三点弯曲作用下损伤累积过程;提出基于声发射幅频极值的损伤量,对损伤过程进行了定量分析;结合声发射事件定位点和损伤量,对混凝土梁受载过程中损伤累积过程进行了量化表征.结果 表明,损伤主要发生在塑性阶段,在受拉区产生、聚集,快速向受压区发展,形成损伤带,导致试件脆性断裂.研究为混凝土梁灾变破坏预警和工程设计提供基础性的参考.     

单轴循环加卸载下磷块岩能量演化特征试验研究

为探究磷块岩在受力环境下的能量演化特征,对磷块岩试件开展了单轴循环加卸载试验,通过监测试件表面红外辐射和其内部声发射信号,分析磷块岩试件在受力过程中的能量演化规律,研究结果表明：磷块岩试件临近破坏时弹性应变能聚集速率进一步减缓,耗散能明显增大,而最高红外辐射值及声发射振幅呈急剧上升趋势;磷块岩在受力破坏过程中释放的热-声信号与其所在的应力环境具有良好的同步性,声发射与红外辐射存在同一阶段内波动方向相反、整体变化趋势相同的关系,加载过程中能量的累积-耗散-释放是声发射、红外辐射产生变化的内因。从能量演化的角度分析磷块岩在受力环境下的热-声相关性规律,可以从本质上揭示磷块岩在受力过程中的热-声信号的内在联系,为磷矿山的岩爆预警提供科学依据。     

芳纶纤维复合材料低速冲击响应实验研究

芳纶纤维因具有轻质高强、良好耐疲劳性和化学稳定性等优良性能,逐渐成为重要的国防军工材料。选用芳纶单向布和平纹织物设计并制备了不同结构参数的芳纶纤维复合材料层合板,采用落锤冲击试验仪在不同的冲击能量下进行低速冲击实验,根据最大接触力、能量吸收能力和凹陷深度评估层板的抗冲击性能。结果表明,[0/45/-45/90]s单向层合板的接触载荷峰值高于[0/90]s单向层合板和平纹织物层合板,并在高能量冲击下具有优异的能量吸收能力,其损伤区域最小。破坏形貌表明,单向复合材料层合板损伤以分层为主,而平纹织物复合材料层合板以整体塑性大变形为主,这为芳纶纤维复合材料的优化设计及防护应用提供一定的理论指导。     

碳纤维编织复合材料损伤变形与破坏实验研究

通过对碳纤维编织复合材料的拉伸实验,利用声发射技术(Acoustic Emission,简称"AE")和数字图像相关(Digital Image Correlation,简称"DIC")方法研究碳纤维复合材料的损伤演化规律。通过采集试件在拉伸过程中的声发射信号、损伤变形与应变场信息,分析碳纤维编织复合材料的力学加载、变形场和声发射特征参数的关系。结果表明复合材料的位移场、应变场信息以及AE信号特征参数能良好地描述复合材料在拉伸状态下的损伤累积和破坏过程。在加载前期,以40~60 dB低幅度信号为主;随着载荷增加,撞击累计数急剧升高,高幅度、高持续时间信号增多。通过DIC测得的位移场和应变场信息,发现对于相同的载荷增量,加载方向的位移和最大拉应变呈先增加后减小的趋势。     

高延性水泥基复合材料的断裂性能分析

实验测试了不同纤维掺量下的高延性水泥基复合材料的载荷—挠度曲线,并对试件加载过程中的声发射信号进行收集,分析了试件断裂后的裂纹分布及纤维在基材中的破坏形式。结果发现:(1)当纤维体积掺量2.0%时,水泥基材的极限挠度、极限抗弯承载力分别可达20.16mm、19.47MPa;(2)高延性水泥基复合材料破坏主要来自于微裂纹的萌生、扩展以及损伤积累过程,试件从加载至完全破坏的时间为素水泥基复合材料破坏持续时间的2~5倍;(3)高延性水泥基复合材料中纤维的破坏以纤维被拔出和纤维被拉断两种模式,试件表现出明显的多缝开裂特征。