声发射技术在三维编织C/SiC复合材料拉伸损伤分析中的应用

通过声发射技术(Acoustic Emission简称AE)对三维编织C/SiC复合材料试件单向拉伸实验过程进行全程动态监测,利用声发射特征参数的综合分析法揭示了三维编织C/SiC复合材料单向拉伸时损伤演化过程和规律。实验结果表明三维编织C/SiC复合材料单向拉伸时损伤发展的四个阶段及声发射特性并利用声发射相对能量定义了材料临界损伤强度。     

三维多向编织复合材料非线性本构行为的细观数值模拟

针对三维多向编织复合材料, 在已建立的单胞几何模型及材料力学性能细观计算力学分析方法的基础上,引入M urakam i 的几何损伤理论模拟纤维束的细观损伤行为, 建立了预报该类材料非线性本构行为数值模拟及细观损伤机理的有限元分析方法。结合实例预报了碳/环氧四向编织复合材料本构的非线性行为, 并与实验结果进行了对比。      

三维编织复合材料损伤容限性能试验

为研究三维编织复合材料的损伤容限性能,首先,利用同种纤维、基体和工艺分别制作了4种三维编织复合材料和1种层合复合材料;然后,进行了相同复合材料在不同冲击能量下的及不同复合材料在相同冲击能量下的低速冲击试验和冲击后压缩试验;最后,进行了冲击后的C扫描损伤检测,并对比了冲击后凹坑深度、损伤面积和损伤宽度。结果显示:层合复合材料的损伤形貌主要呈椭圆状,且分层损伤严重,而三维编织复合材料的损伤形貌主要呈十字状,三维编织复合材料的整体性较好;层合复合材料和三维编织复合材料冲击能量的拐点均出现在30 J附近;三维编织复合材料的剩余压缩强度较高,其损伤容限性能优于层合复合材料。所得结论可为三维编织复合材料的工程应用提供指导。      

三维编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

采用考虑纤维束相互挤压的纤维束截面八边形单胞模型, 引入周期性边界条件, 对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟, 并预测了材料的拉伸强度。通过在应变能密度函数中引入损伤状态变量, 建立了含损伤材料的刚度矩阵, 运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤, 通过数值结果与试验结果的对比, 分析了Hashin和Tsai-Wu两种准则作为判定纤维束起始损伤的适用性。分析表明: 基于引入不同失效模式的Tsai-Wu准则的数值模拟和试验结果吻合良好; Hashin准则不适合作为编织纤维束的损伤判据; 不同编织角材料的失效机制不同。      

基于径向基函数神经网络的编织复合材料结构脱层损伤监测研究

鉴于传统的BP网络的速度慢和局部极小值问题，以及针对基于实验数据训练神经网络存在样本不足的缺陷，文中提出了利用径向基函数（Radial Base Function，简记为RBF）神经网络通过有限元方法对含有脱层损伤的复合材料试件进行数值模拟，把前五阶弯曲模态频率进行修正，以修正后的前五阶弯曲模态频率再经过归一化处理构建训练样本的新思路，将实验模态分析结果经归一化处理后送入训练好的RBF神经网络进行预测，从而实现对编制复合材料梁的脱层损伤定位和损伤程度评估。最后给出了编织复合材料结构损伤大小伤识别及定位的算例，仿真结果表明RBF神经网络速度快，稳定性好，精度高，在复合材料结构损伤监测中具有光明的应用前景和重要的工程应用价值。     

采用新型二维和三维编织技术改善复合材料的性能

复合材料的性能可以满足广泛的要求,因此在越来越多的结构应用中起重要的作用。尤其在航空航天方面,使用二维织物或单向带制成的层板做结构部件。然而,这些复合材料因损伤容限、冲击性能以及制造昂贵而存在着一些缺点。这些缺点可以通过采用由新的编织技术生产出来的三维增强纤维结构而得到克服。一方面这项新技术因叠层工序简单而简化生产程序,另一方面,可以提高复合材料在厚度方向上的性能,有较好的损伤容限和抗冲击性能。本文叙述了对复合材料有用的不同编织技术和制造工艺,讨论了影响编织和浸渍工艺的一些基本因素,并总结了不同增强几何形状的潜力。     

碳纤维编织复合材料弯曲损伤破坏声发射监测

为研究碳纤维编织复合材料的弯曲损伤与破坏行为,结合声发射(AE)与数字图像相关(DIC)方法互补实验技术,对复合材料在四点弯曲载荷作用下的失效过程进行监测,动态获取AE特征信号和对应的散斑图像,并根据DIC算法得到复合材料在加载过程中的全场变形和应变。结果表明:AE信号在碳纤维编织复合材料中近似呈指数衰减,与谐振式AE传感器相比,宽频带式AE传感器表现出更好的测量性能;复合材料弯曲加载前期,无明显损伤出现,AE信号较少,对应的位移场和应变场变化平稳;复合材料弯曲破坏对应较高持续时间、幅度和相对能量的AE信号。复合材料损伤演化过程的AE响应行为及对应位移场、应变场的变化反映复合材料的变形与损伤破坏过程,为碳纤维编织复合材料的无损评价、健康监测与失效分析提供借鉴。     

三维编织多功能结构复合材料的发展

在某些实际应用中,需要复合材料不仅具有多种功能,例如抗烧蚀、抗冲击、隔热等,而且还能作为结构材料使用,这种复合材料可以称为多功能结构复合材料.在多功能结构复合材料设计中需要按不同的功能应用和力学特性进行分层设计.利用三维编织技术可以实现多功能结构复合材料的分层异形整体编织,为多功能结构复合材料的发展提供了可能性.本文介绍了三维编织复合材料的性能和制作多功能结构复合材料所采用的三维编织技术.      

复合材料三维整体编织结构技术与特性

复合材料三维整体编织技术是国外八十年代发展起来的高新纺织技术。采用这种技术,创造了一类新的复合材料结构型式,显著改善了多方面的力学特性。已有的应用表明.这种高新技术与结构型式,可广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、武器装备、体育用品等诸多领域。本文综述了复合材料三维整体编织工艺的特点,三维编织结构物,以及某些优异的特性。     

三维编织技术和三维编织复合材料

与层合复合材料相比,三维编织复合材料具有完全整体、不分层的结构,可用于制造结构制件和高功能制件,所以,进一步研究三维编织技术和三维编织复合材料对发展我国新材料具有重要的意义。     

颗粒增强金属基复合材料中界面附近位移场测量的探索

本文采用数字散斑相关法对高能超声法制备的颗粒增强金属基复合材料在拉伸变形过程中颗粒与基体的界面处的位移进行了测量与分析，。实验结果表明，界面处所发生的位移变化要大于颗粒和基体内部所发生的位移，说明在颗粒与基体合金的界面处存在着导致应变集中的缺陷，从而导致了颗粒增强金属基复合材料失效过程中常常出现颗粒与基体在界面处脱粘的损伤形式。     

碳纤维布加固钢筋混凝土梁的DSCM实验研究

通过用数字散斑相关方法(DSCM)对碳纤维布加固混凝土梁的实验,研究了碳布加固混凝土梁的承载力及变形行为.确定了碳纤维布加固混凝土梁在不同加载条件下的强度特征.并且用数字散斑相关方法实时记录了加载过程中反映试件变形信息的光学散斑图,确定了一些局部的变形特征,分析了其断裂机理.     

散斑打印技术及其在纸弹性模量测试中的应用

目的基于数字图像相关方法和可控散斑打印技术实现纸弹性模量的非接触测试。方法由于纸是可打印材料,可利用打印机将设计制作的高质量散斑图打印在纸试样的标距两端,在单轴拉伸过程中,利用数字图像相关方法测试标距线应变,将应变值与拉伸机得到的应力值进行线性拟合,即可计算得到纸的弹性模量。结果利用文中方法测试定量为80 g/m~2牛皮纸的纵向弹性模量3个试件平均值为1900MPa。结论通过对模拟图像参数的合理设计,使纸张具有高质量的散斑图,并且印刷油墨对纸张力学性能的影响最小。将提出的方法用于测量牛皮纸的弹性模量,3个试样的测量结果偏差很小,在一定程度上证明了该方法具有良好的可靠性。     

微小型物体动态特性的实验研究

本文从理论上分析了利用散斑场的相关统计特性,非接触地记录振动物体时间域自由响应信息,并根据多点同时采集的时间域信号,利用频率域及时间域系统识别技术,进行动态参数识别.实测了微型悬臂梁的弯曲振动、小型三自由度轴的扭振,识别出的动态特性参数与理论值达到很好的一致.从而说明.这一光测——计算机分析系统为微小型物体的动态特性参数识别提供了一条有效途径.     

基于数字散斑相关法的紫外老化沥青混合料界面开裂特性

利用数字图像相关技术(DSCM)针对紫外光老化的沥青混合料(HMA)半圆试件弯拉试验中裂纹产生及扩展规律从细观角度进行表征,运用Vic-3D分析软件对沥青混合料半圆试件进行全场位移、应变计算,得到试件破坏过程的位移场、应变场。结果表明:通过对紫外光照的沥青胶浆、集料及界面水平方向应变场的对比分析,发现界面为沥青混合料最薄弱处,最易产生裂纹;进一步通过水平方向应变随载荷变化曲线的变化对HMA开裂时间进行分析,可以更好地将HMA微裂缝开裂时间与宏观裂缝开裂时间加以区分,且紫外老化后的HMA试样界面开裂时间明显缩短。同时,将相同的紫外老化前后的橡胶粉(CR)改性HMA试样与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性HMA试样的位移随载荷变化规律进行对比发现,经紫外老化后的CR改性HMA比紫外老化后SBS改性HMA具有更强的抗开裂能力及持荷能力。      

Determination of Stress Intensity Factor for Cracks in Orthotropic Composite Materials using Digital Image Correlation

Abstract: This paper focuses on the application of the digital image correlation (DIC) technique to determine the stress intensity factor (SIF) for cracks in orthotropic composites. DIC is a full‐field technique for measuring the surface displacements of a deforming object and can be applied to any type of material. To determine the SIF from full‐field displacement data, the asymptotic expansion of the crack‐tip displacement field is required. In this paper the expansion of the crack tip displacement field is derived from an existing solution for strain fields. Unidirectional fibre composite panels with an edge crack aligned along the fibre were tested under remote tensile loading and the displacements were recorded using DIC. The SIF was calculated from the experimental data by fitting the theoretical displacement field using the least squares method. The SIF thus determined was in good agreement with theoretical results and therefore demonstrates the applicability of the derived displacement field and DIC technique for studying fracture in composites.     

Experimental Investigations on Deformation and Fracture Behavior of Glass Sphere Filled Epoxy Functionally Graded Materials

In this paper, deformation and fracture behavior of glass sphere filled epoxy functionally graded materials (FGM) are numerically evaluated and experimentally studied. The fabrication of the FGM is described in detail, and the spatial gradation of elastic modulus and the microscopic structure in FGM are measured and analyzed. The deformation and fracture characterization of the FGM specimen with a crack oriented along the direction of the elastic gradient under three point bend are studied by the experimental and the finite element method. The influences of crack location at both the stiff and the compliant sides of the FGM specimen on crack initiation, deformation field and stress intensity factor are analyzed. The results are: (a) The neutral-axis in the FGM specimen under three-point-bending will shift toward the stiffer side; (b) The initial fracture load increases with the increase of elastic modulus at the crack tip; (c) The elastic gradients shield a crack on the compliant side and lower the stress intensity factor when compared to the one with crack on the stiff side. These results will be useful for better design and reliable evaluation of FGM.     

亚像素数字散斑相关测量中计算窗口的选择

提出了一种亚像素数字散斑相关测量计算窗口的选择方法.采用模拟散斑图像,利用亚像素数字散斑相关测量中的相关系数插值法、拟合法及梯度算法原理,研究了计算窗口大小对这三种计算方法的测量精度和计算效率的影响,得出了不同亚像素精度要求下,可选择的计算方法及其最佳计算窗口.研究结果表明,测量精度越高,所需的计算窗口越大,选择合适的计算窗口可以提高测量精度和效率.     

数字散斑相关法在高聚物领域中的应用

高聚物广泛地应用于人类生产和生活等各个领域,其力学性能研究在材料、工程结构的优化设计中起着重要的作用．数字散斑相关法(DSCM)是一种光测实验力学方法,该方法具有测量环境要求低、可直接测取位移和应变信息及细观结构、便于实现测量自动化等优点。文中综述了数字散斑相关法在高聚物领域中的应用。     

Experimental investigation of fracture damage of notched granite beams under cyclic loading using DIC and AE techniques

Fracture experiments of three‐point bending notched granite beams were performed under cyclic loading using digital image correlation (DIC) and acoustic emission (AE) techniques. The damage evolution process of the specimen under cyclic loading was analysed on the basis of AE ring count and b value. The strain and displacement fields and the fracture process zone (FPZ) ahead of the crack tip were revealed by DIC. The results showed that the AE characteristics of rock fracture indicated a noticeable Kaiser effect in the stage of cyclic loading and unloading. Moreover, when the loading force reached 70% of its peak value, the AE characteristics showed the Felicity effect. The damage produced during the loading‐unloading process contributed to the development of the cracks leading to the catastrophic fracture. Besides, a relatively high loading rate was found to help to suppress the development of the FPZ at the crack tip.