碳纤维三维编织复合材料损伤演化及声发射统计特征分析.pdf

摘 要 摘 要 碳纤维三维编织复合材料克服了传统层合复合材料易分层破坏等致命缺陷，是综合 现代材料和编织技术发展的新型复合材料。其可设计性能更强，具有高比刚度和比强度、 良好的损伤容限、耐冲击和抗疲劳等优异的力学性能。因此在航空、航天、军事、交通 和能源等工程领域得到了广泛的应用。本文研究了不同编织方式、编织角和尺寸的碳纤 维三维编织复合材料的拉伸力学行为及其微结构破坏特征。同时，采用声发射(Acoustic Emission,AE)技术与数字图像相关(DigitalImageCorrelation,DIC)方法互补的测试系统， 监测三维编织复合材料损伤演化过程中AE 信号和表面变形场信息。通过断铅实验对 AE 信号进行模拟，探索复合材料在不同方向的AE 传播与衰减特性。此外，利用聚类 和统计分析方法对 AE 特征参数进行处理与分析。最后，借助显微断层扫描 (Micro-computedTomography,Micro-CT)技术，观察材料内部细观结构与损伤特性。得到 的主要的结论如下： 不同编织方式和编织角的三维编织复合材料的力学性能存在一定的差异。相比于三 维四向编织复合材料，三维五向编织复合材料中轴向增强纱线的引入，提高了其轴向载 荷承载能力和抵抗变形能力。同时，小编织角下的三维五向编织复合材料内部更加紧致 的预制结构，使其在拉伸测试中承担了更高水平的载荷。 三维编织复合材料具有各向异性的特征，因此复合材料沿编织方向的AE 幅值衰减 AE 量明显低于编织垂直方向的衰减量，且断铅点与 传感器的距离越远幅值衰减越大。 此外，AE 信号在三维编织复合材料中的传播与衰减特性，为拉伸试验中进一步的AE 检测和研究工作提供了重要的参照。 根据三维编织复合材料的AE 幅值和撞击累积数等特征参数的动态变化情况，提取 AE FCM 了损伤因子与 特征之间的联系。此外，利用 算法可将三维编织复合材料在拉 伸测试中的AE 信号分为2 类。其中，低频率的CLUS 1代表材料的表面微损伤和基体 开裂，中高频率下的CLUS2 代表材料的纤维和基体脱粘以及纤维损伤。 AE 三维编织复合材料的损伤演化过程与相应的 信号特征密切相关。同时，基于幅 度谱、概率分布和概率熵的AE 统计分析方法，可以很好地识别和评估三维编织复合材 料不可逆的损伤状态与演化过程，为编织复合材料提供了失效判据。 I 摘 要 AE 和DIC 互补的无损检测(Non-destructiveTesting,NDT)技术能够由内而外地监测 三维编织复合材料的损伤演化过程，为碳纤维三维编织复合材料的安全评价和健康监测 提供了重要的参考价值。同时，借助Micro-CT 技术，能有效地获得三维编织复合材料 内部任意层面上的微观结构信息和损伤特征，为编织复合材料体系损伤演化行为的深入 研究提供了新思路。 关键词 三维编织复合材料 声发射 数字图像相关 聚类分析 统计分析 显微CT II Abstract Abstract Carbon fiber three dimensional (3D) braided composites are advanced composites by combining modern materials and braiding technology, which have been increasingly studied and used in numerous fields such as aviation, aeronautic, military, vehicl