碳纤维复合材料拉伸损伤声发射信号MC-ApEn分析

采用滑动移除近似熵(MC-ApEn)分析碳纤维环氧树脂复合材料拉伸损伤过程中产生的声发射信号。从信号的无序性、复杂性及动力学平衡角度描述基体开裂、纤维/基体脱胶及纤维断裂三种典型声发射信号的近似熵谱特征并给出相应解释。用MC-ApEn分析载荷、计数、声发射能量与时间的相关曲线。由不同趋势间过渡引起的近似熵突变发现,拉伸断裂过程被两结构突变时间点划分为三个不同阶段,并据其演进特点推荐复合材料拉伸失效的临界载荷。     

碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板结构及间隙尺寸对铆接性能的影响

通过对不同纺织结构的碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）层合板与铝合金（AlMg3）异质材料连接结构进行单剪切拉伸研究,分析间隙尺寸对不同纺织结构CFRP层合板与AlMg3连接结构性能的影响。试验结果表明,当CFRP层合板铺层数目相同时,对于纺织结构不同、间隙配合尺寸相同的CFRP-AlMg3单铆钉单剪切连接结构,编织结构碳纤维增强树脂基复合材料（WO-CFRP）层合板所受挤压应力比非编织结构碳纤维增强复合材料（UD-CFRP）层合板所受挤压应力大25%左右;对于纺织结构相同、间隙配合尺寸不同的CFRP-AlMg3单铆钉单剪切连接结构,其各自铆钉所受剪切应力和连接CFRP层合板所受挤压应力相差不大。同时对相同间隙尺寸、不同纺织结构的CFRP-AlMg3单铆钉单剪切连接结构各个阶段挤压应力分析得知：其他条件一定,各个阶段中WO-CFRP的挤压应力比UD-CFRP的挤压应力高20%左右。最后研究间隙尺寸对CFRP-AlMg3单铆钉单剪切连接结构性能的影响,发现铆钉与孔壁间隙尺寸对位移为铆钉直径大小的4%时的CFRP层合板受到的挤压应力影响较大,铆钉与孔壁间隙大小增加0.1 mm,位移为铆钉直径大小的4%时的CFRP层合板受到的挤压应力降低约17%,而对CFRP层合板的初始损伤应力和破坏应力几乎没有影响,对铆钉所受剪切作用力和AlMg3板材所受挤压应力也几乎没有影响。     

带不同深度缺陷Q235B板材拉伸过程声发射特征

通过对带有不同深度缺陷的Q235B板材的拉伸试验,利用声发射监测材料拉伸过程,获得材料拉伸过程中声发射信号,结合载荷时间曲线对声发射能量、撞击数、幅值等参数进行分析,研究各阶段声发射信号变化,以及不同深度缺陷声发射信号变化趋势。结果表明:声发射信号能够较好地反映损伤过程,屈服阶段声发射信号主要集中在下屈服点附近,随着缺陷的深度增加,下屈服点附近撞击数峰值有所下降;超过70 d B的幅值信号随缺陷深度增加而增多,其数量占总幅值数量的比例也随之增加;持续时间超过500μs的幅值信号分为A、B两类。试验结果对起重机械声发射监测的损伤判定提供依据。     

分层对复合材料机械连接结构承载能力的影响

针对含孔边分层复合材料沉头螺栓连接结构,通过挤压试验及有限元仿真,研究了孔边分层对复合材料连接结构力学性能的影响。通过连接孔的挤压试验,得到了不同类型试验件的承载能力与破坏模式。有限元仿真中,基于ABAQUS有限元分析软件建立了复合材料机械连接的三维有限元模型,进行复合材料渐进失效损伤模拟,并采用内聚力单元来模拟预制分层。有限元计算得到载荷-位移曲线和变形模式与试验吻合较好,从而验证了有限元模型的有效性。在此基础上,分析了含孔边分层的复合材料机械连接结构的破坏机制,并研究了分层位置、分层面积大小和分层形状对该结构承载能力的影响。研究表明：复合材料的破坏始于沉头孔中的直孔区域,且当预制分层位于直孔区域时,结构的承载能力最低;分层形状为圆形和正方形时,会严重影响结构的承载能力,分层形状为椭圆形时,对承载能力影响较低。无论分层形状如何变化,分层总是从受挤压的一侧开始,以半圆弧的形状向受挤压方向进行扩展。     

激光选区熔化成形铝合金板与CFRP复合材料层合板螺栓连接结构失效分析方法评估

对激光选区熔化成形(SLM)铝合金板与碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料层合板两列四排沉头螺栓单剪连接件在拉伸载荷作用下进行了数值分析和试验研究。基于渐进损伤法的三维有限元模型准确地预测了连接件材料损伤萌生和演变,对比试验和三维有限元所得钉载比例、极限载荷及失效模式,可以发现,通过拟合SLM铝合金板断裂应变和应力三轴度曲线,编写UMAT子程序引入韧性准则和Hashin失效准则的三维有限元模型预测的连接件失效载荷与试验值误差仅为1.9%,且失效模式均为净截面拉断,两者吻合,此方法可以满足工程精度要求。利用经过验证的数值模型,分别预测了SLM铝合金板和CFRP层合板损伤演变过程,并分析了SLM铝合金板刚度对连接结构失效模式的影响,当SLM铝合金板厚度增大到4mm时,连接结构失效模式由SLM铝合金板净截面拉断转移到CFRP层合板上。     

复合材料层板单钉沉头螺栓连接结构拉伸性能EI北大核心CSCD

通过ABAQUS软件建立三维累积损伤有限元模型,计算复合材料层板单钉沉头螺栓连接结构的条件挤压载荷,并对其损伤机理与破坏过程进行分析;选用适合该类结构层板的损伤判据与衰减准则进行验证。计算获得的初始挤压破坏载荷与实验结果吻合良好,说明所建模型的有效性。在此基础上,分析了接触面摩擦、螺栓刚度和连接金属板刚度等因素对连接结构拉伸性能的影响。结果表明:接触面摩擦因数和螺栓刚度对结构拉伸性能的影响较为明显,金属板刚度的影响很小。     

湿热环境对CFRP复合材料-铝合金螺栓连接结构静力失效的影响

湿热环境对碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料-铝合金螺栓连接结构失效的显著影响给整体结构带来了安全隐患。为准确评估湿热环境对混合螺栓连接静力失效的影响，基于复合材料渐进损伤模型及金属韧性断裂准则，建立了考虑湿热效应的复合材料-金属螺栓连接静力失效预测模型。采用该模型预测了CFRP复合材料-铝合金单钉双剪连接结构在23℃干态、70℃平衡吸湿状态下的静强度和失效模式，与试验结果吻合良好，验证了模型的有效性。在此基础上，进一步揭示了不同湿热工况对CFRP复合材料-铝合金单钉双剪、多钉双剪连接结构静力拉伸失效的影响规律。结果表明:相比于23℃干态条件，23℃平衡吸湿条件、70℃干态条件和70℃平衡吸湿条件下CFRP复合材料-铝合金单钉双剪连接结构的失效载荷分别下降了4.5%、7.2%和13.9%；高温是导致湿热环境中CFRP复合材料层板损伤区域增大的主要因素；随着螺栓数目的增加，70℃平衡吸湿状态时连接结构静强度相比于23℃干态的下降幅度逐渐降低。      

基于失效机制的单向纤维增强树脂复合材料退化模型基于失效机制的单向纤维增强树脂复合材料退化模型

基于复合材料力学理论和失效机制,建立了一种新的适用于单向纤维增强树脂基复合材料的突降退化模型,用于描述复合材料基本材料性能在不同模式失效发生后的衰减行为。在模型中不仅考虑了复合材料拉伸和压缩弹性模量的差别,还考虑了损伤后材料拉伸和压缩性能退化的不同,以及裂纹闭合效应和侧向约束对压缩失效后性能的影响。另外,该模型只需要基本材料参数作为输入,便于应用。为了验证所提出的模型,建立了T800碳纤维增强X850环氧树脂基复合材料的退化模型,并对典型复合材料螺栓连接结构的拉伸失效行为进行渐进损伤分析。数值模拟获得的结构破坏载荷、破坏形式及载荷位移曲线与试验结果有较好的一致性,验证了所提出模型的计算精度和有效性。      

碳纤维增强树脂基复合材料层合板胶螺混合连接失效机制

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板单搭接双螺栓胶螺混合连接失效机制,采用基于断裂能断裂准则的连续渐进退化方式,仿真CFRP层合板刚度退化,采用基于能量的B-K准则仿真胶层的损伤演化,建立胶螺混合连接结构渐进损伤三维有限元模型,有限元模型预测的最大失效载荷与实验结果吻合较好。搭接长度L_a为影响胶螺混合接头刚度和强度的重要几何参数,螺栓的位置不会明显影响接头的刚度,粘结面积越大,强度越大。胶螺混合接头在拉伸载荷作用下,由于二次弯曲效应的影响,螺栓向左倾斜,搭接区域的胶层损伤起始于搭接区域胶层外侧,并由外侧向内部扩展到钉孔附近,当胶层损伤扩展到钉孔附近时,螺栓承载增加,胶层和螺栓共同承载,此时CFRP层合板开始出现损伤;最终,左侧钉孔处的上层合板和右侧钉孔处的下层合板产生分层损伤并发生断裂。      

搭接长度和铺层方式对CFRP复合材料层合板胶接结构连接性能和损伤行为的影响

针对不同搭接长度和铺层方式的碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料层合板单搭胶接结构进行了拉伸试验,观察了试件的受力过程和失效形态,获得了载荷-位移曲线;同时基于连续损伤力学模型和三维Hashin失效准则模拟了CFRP复合材料层合板的层内损伤形成和演化,并利用内聚力模型来模拟层间及胶层的失效损伤,对CFRP复合材料层合板单搭胶接结构在拉伸作用下的失效强度和损伤机制进行了预测,通过对比验证了该数值方法的有效性;通过数值试验比较不同搭接长度和铺层方式的单搭胶接结构及双搭胶接结构的连接强度和损伤行为,并提出了一种优化的CFRP复合材料层合板胶接结构。结果表明:CFRP复合材料层合板胶接结构的极限失效载荷随着搭接长度的增大逐渐增加并趋于稳定值,且结构的失效形式逐渐从胶层自身剪切失效过渡到邻近胶层的层合板层间分层失效;CFRP复合材料层合板胶接结构的连接强度和损伤行为随着铺层方式的不同而改变,通过对3种铺层方式的对比和分析,得到性能最好的铺层方式是[0₃/90₃]_2S;在搭接长度为5~20 mm时,通过对搭接长度进行优化,得到单搭胶接结构的最优搭接长度是17 mm,双搭胶接结构的最优搭接长度是19.3 mm,与搭接长度为20 mm相比,单搭胶接结构和双搭胶接结构的连接强度分别提高了13.26%和0.43%。      

Edge Delamination and Residual Properties of Drilled Carbon Fiber Composites with and without Short-Aramid-Fiber Interleaf

Edge delamination is frequently observed in carbon fiber reinforced plastic (CFRP) laminates after machining, due to the low fracture toughness of the resin interfaces between carbon fiber plies. In this study, the effects of incorporating tough aramid fibers into the brittle CFRP system are quantified by measuring the residual properties of bolted CFRP. By adding short-aramid-fiber interleaves in CFRP laminates, the residual tensile strength have been substantially increased by 14 % for twill-weave laminates and 45 % for unidirectional laminates respectively. Moreover, tensile failure was observed as the major mode of toughened laminates, in contrast to shear failure of plain laminates. The qualitative FEM results agreed well with the experimental results that edge delamination would cause relatively higher shear stress and therefore alter the failure mode from tensile failure to shear failure.     

Near-surface delamination induced local bending failure of laminated composites monitored by acoustic emission and micro-CT

Aiming to investigate the effects of the near-surface delamination on buckling response behavior of carbon fiber reinforced laminated composites under different bending modes, acoustic emission (AE) data analysis and X-ray micro-computed tomography (micro-CT) imaging method were promoted to characterize the mechanical properties, acoustic responses and damage visualization. Due to the existence of the artificial embedded delamination, when subjected to local compression induced by bending loads, the laminated composites showed a strong tendency to buckling behavior. The mechanical properties indicated that under different bending modes, the size of delamination had little influence on the relative change ratio of ultimate bearing capacity, but the thickness of specimen had a significant influence on the relative change ratio of ultimate load. AE monitoring results showing the characteristics of energy release for composites were related to the mutation rate of load curve. Moreover, cluster results indicate that matrix failure, interfacial failure and fiber failure are the main damage mechanisms. Micro-CT results illustrated that as the thickness of composites increases, there is a reduction in crack density. AE monitoring can reflect the initiation and evolution process of damage, and damage mechanism identification can be realized by clustering analysis. Besides, the internal damage morphologies acquired by micro-CT can directly verify the damage mechanisms. The cross-validation of AE and micro-CT can provide a basis for structural health monitoring of composites.

     

Investigation of damage mechanisms in self-reinforced polyethylene composites by acoustic emission

The objective of this study is to investigate the damage mechanisms in self-reinforced polyethylene composite laminates (UHMWPE/HDPE) under monotonic tensile loading by the acoustic emission (AE) technique. Fracture surface examinations were conducted using a scanning electron microscope (SEM). Using model specimens exhibiting a dominant failure mechanism, correlations were established between the observed damage growth mechanisms and the AE results in terms of the events amplitude. These correlations can be used to monitor the damage growth process in the UHMWPE/HDPE composite laminates exhibiting multiple modes of damage. Results from this study revealed that the AE technique is a viable and effective tool for identifying damage mechanisms such as fiber–matrix debonding, matrix cracking, fiber pull-out, fiber breakage and delamination in the UHMWPE/HDPE composite materials.     

聚乙烯自增强复合材料损伤过程的声发射特征

复合材料在承受外载时, 声发射可产生于基体破裂、纤维-基体界面脱粘和纤维断裂等。测定了U HMWPE/ HDPE 复合材料在拉伸载荷作用下的声发射(AE) 振幅信号。对特殊试样, 即预测到断裂有明确方式, 如纤维-基体界面脱粘、基体破裂、纤维断裂和分层等的试样, 实施加载直至破坏。用扫描电子显微镜(SEM) 观测试样的断裂表面, 对产生于若干特殊损伤类型的AE 信号进行了鉴别。在相同加载条件下, 完成了不同种类的U HMWPE/ HDPE 准各向同性层合板声发射检测。结果在特殊试样损伤类型与声发射信号事件振幅之间建立了对应关系, 揭示了上述各种准各向同性层合板损伤扩展过程的AE 特征与损伤破坏机制。各种准各向同性层合板试样的声发射事件累计数对拉伸应力关系曲线相异, 其相同损伤类型发生时所对应的拉伸载荷水平不等, 表明它们的铺设角度和铺设顺序对损伤演变过程有显著的影响。结果证实了它们的最终破坏由严重层间分层造成。      

CFRP-钢界面粘结性能试验与数值模拟

碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）与钢板的界面粘结性能为CFRP加固钢结构的关键问题之一。开展了17个CFRP板-钢板单搭接试件的拉伸剪切试验,研究了不同环氧粘结剂与CFRP材料的CFRP-钢界面力学行为和破坏模式;分析了粘结剂类型和CFRP材料对界面粘结滑移本构和界面剪切性能的影响,讨论了其承载力计算方法。结果表明：采用不同的粘结剂或CFRP材料,界面破坏形式和抗剪承载力均差异较大。采用Sika 330、Lica粘结剂的试件为CFRP板或钢板与胶层的界面破坏,采用Araldite粘结剂的试件为CFRP板浅表层离,采用Sika 30粘结剂的试件为胶层内聚破坏,采用SF（Sika S512/80）碳板的试件为CFRP板深层层离;Araldite试件的抗剪承载力为其他试件的1.7~2.9倍。Sika 330、Araldite及Lica试件粘结滑移曲线无明显下降段,属脆性破坏,而Sika 30与SF试件存在缓坡下降段,失效前有一定征兆;SF试件的粘结滑移本构可简化为三折线模型,其余试件则可简化为双线性模型。SF试件抗剪承载力需用Xia-a模型表征,其余试件则可用Xia-b模型表征。基于粘聚力模型对界面力学行为进行了数值模拟,结果表明,粘聚力模型可以较好地模拟界面的非线性力学行为,剥离应力对本单搭接试件的界面粘结强度影响很小。     

Real-time damage mechanisms assessment in CFRP samples via acoustic emission Lamb wave modal analysis

This paper proposes a very promising acquisition-analysis procedure to evaluate real-time damage in carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) composite plates by means of the acoustic emission (AE) method. It shows how, by using appropriate acquisition frequency filters and very narrow time windows, it is possible to avoid reflection at boundaries and successfully split the A0 and S0 Lamb modes of the AE signals. After that, an appropriate algorithm —based on the comparison of strength of both modes in time and frequency domains— allows one to associate each AE event to a particular damage mechanism (delamination, fiber breaking and matrix micro-cracking). Experimental results from three point bending tests carried out on 22-layer CFRP samples, with delamination artificially induced by a Teflon film, clearly demonstrate the real-time evaluation of the induced delamination and the beginning and growth of new ones.     

3D C/SiC复合材料拉伸性能的声发射研究

采用声发射平均频率和相对能量以及幅值识别了3D C/SiC复合材料的拉伸损伤模式, 探讨了拉伸加卸载过程中材料的费利西蒂(Felicity)效应。通过分析具有不同拉伸性能试样的损伤过程, 研究了不同损伤模式的时间分布特征对材料拉伸性能的影响关系。分析结果表明, 3D C/SiC复合材料中基本不存在凯瑟(Kaiser)效应, Felicity比随着应力水平的升高而降低, 相对应力水平高于65%时出现突降。3D C/SiC复合材料高性能的决定性因素不是声发射波击总数, 而是高幅高能量信号发生的时间和次数。在加载前期(应变<0.15%)损伤较少是材料高强度的必要条件, 纤维簇断裂在加载中后期的分散分布有利于提高拉伸强度。      

Effect of clamping force on the delamination onset and growth in bolted composite laminates

Clamping force is a key element that alters the mechanism and sequence of failure in bolted joints of composite laminates. The mode of failure in bolted joints can be controlled by geometrical parameters and the preferred fail safe mode of failure is ‘bearing’ which generally consists of matrix cracks, delamination and fibre microbuckling. Three-dimensional (3-D) pinned (without clamping force) and bolted (1 kN clamping force) joint models were developed in [0/90]_s carbon fibre reinforced plastic (CFRP) laminates to show the clamping force effect on the onset and growth of delamination. It is shown that delamination was resulted from the shear stress components (Mode II & III) at the interface and the contribution of the out-of-plane component (Mode I - opening), so the clamping force, was negligible without modelling the in-plane failure modes and their coupling with delamination, which will be considered in future work.     

碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头拉伸失效机制

通过试验及数值模拟对碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头轴向拉伸失效机制进行研究。基于ABAQUS有限元软件,通过连续介质损伤模型及内聚区模型,分别对碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头各部件及界面进行模拟,编写用户自定义材料子程序(UMAT),建立复合材料的渐进损伤模型,最终得到碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头的应力分布和载荷-位移曲线,并与试验结果对比确定结构的失效机制。结果表明:有限元分析所得碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头损伤部位及失效模式与试验吻合,失效载荷与试验值相差较小,证明仿真分析方法的有效性。通过对比失效模式发现,拉伸载荷作用下,链环是主承力部件,其弧形端部是应力集中处,纤维断裂即从此处开始发生并向外扩展,导致链环断裂及整体结构破坏。