碳纖維三維編織復(fù)合材料在航空航天、汽車和工業(yè)等工程領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用過(guò)程中,不可避免的出現(xiàn)沖擊和碰撞等損傷,進(jìn)而影響復(fù)合材料力學(xué)性能及潛在安全隱患的發(fā)生率。因此,深入了解碳纖維復(fù)合材料的損傷演變過(guò)程中的發(fā)生機(jī)制,對(duì)其安全服役和延長(zhǎng)使用壽命具有較為重要的意義,同時(shí)也能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和高性能復(fù)合材料生產(chǎn)的提供需求。為此,本文采用數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation,DIC)方法與聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)技術(shù),結(jié)合K-means聚類算法,在碳纖維平紋編織復(fù)合材料的拉伸、壓痕和壓縮損傷演變規(guī)律的基礎(chǔ)上,深入探討三維機(jī)織和三維四向編織復(fù)合材料拉伸損傷過(guò)程中AE行為特征、K-means聚類結(jié)果和局部微變形場(chǎng)的變化;依據(jù)復(fù)合材料破壞過(guò)程中宏觀、微觀形態(tài)變化和本領(lǐng)域研究成果,建立了特定故障AE信號(hào)與損傷機(jī)制之間的相關(guān)性;此外,根據(jù)復(fù)合材料破壞過(guò)程中的AE特征信號(hào)時(shí)域特征,采用哨兵函數(shù)及AE信號(hào)b值處理方法,分別對(duì)其損傷歷程進(jìn)行分析,深入研究了復(fù)合材料破壞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:(1)碳纖維復(fù)合材料損傷過(guò)程中的AE相對(duì)能量、撞擊累積數(shù)及幅度等特征參數(shù)反映了復(fù)合材料內(nèi)部損傷演化過(guò)程;在復(fù)合材料臨界失效點(diǎn)附近,出現(xiàn)較多高持續(xù)時(shí)間、高幅度AE信號(hào),并且撞擊累積數(shù)明顯增加。(2)在準(zhǔn)靜態(tài)壓痕載荷較小時(shí),平紋編織復(fù)合材料表面損傷面積較小,并對(duì)其殘余壓縮強(qiáng)度影響不大;當(dāng)壓痕載荷達(dá)到40 kN時(shí),壓痕損傷導(dǎo)致復(fù)合材料出現(xiàn)大量分層、纖維斷裂和局部區(qū)域的損傷穿透,而實(shí)際損傷狀況導(dǎo)致復(fù)合材料殘余壓縮強(qiáng)度明顯下降,并且斷裂形式由復(fù)合形破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选?3)平紋編織復(fù)合材料、三維機(jī)織復(fù)合材料和三維編織復(fù)合材料的AE損傷演變規(guī)律上存在差異,但是AE信號(hào)的聚類結(jié)果相似。相對(duì)于AE峰值幅度,頻率分布對(duì)復(fù)合材料損傷源的特征識(shí)別展現(xiàn)出較好的優(yōu)越性,并基于該領(lǐng)域研究成果,建立不同損傷模式的頻率分布范圍:0-50 kHz的低頻AE信號(hào)對(duì)應(yīng)基體開(kāi)裂;50-150 kHz的中頻AE信號(hào)對(duì)應(yīng)纖維/基體脫粘;250-600 kHz的高頻AE信號(hào)對(duì)應(yīng)纖維斷裂。(4)根據(jù)復(fù)合材料瞬時(shí)機(jī)械能和AE能量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系,可以有效獲取不同載荷水平下?lián)p傷模式演變信息,簡(jiǎn)化了對(duì)復(fù)合材料損傷演化規(guī)律探究的信號(hào)處理方式;AE信號(hào)的b值時(shí)域分布變化,可以有效的提取試樣內(nèi)部裂紋出現(xiàn)的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)和判定其即將失穩(wěn)擴(kuò)展的載荷水平。(5)平紋編織復(fù)合材料和三維機(jī)織復(fù)合材料,在低應(yīng)變水平下,試樣表面應(yīng)變場(chǎng)變化較均勻,并隨著平均應(yīng)變水平的提高,出現(xiàn)隨機(jī)局部應(yīng)變集中點(diǎn);針對(duì)三維編織復(fù)合材料的表面應(yīng)變場(chǎng),在低平均應(yīng)變水平下,應(yīng)變集中點(diǎn)首先出現(xiàn)在紗線交織區(qū)域,并隨著平均應(yīng)變水平的提高,高應(yīng)變區(qū)域沿紗線的橫向和縱向發(fā)展,最終形成以編織紗線為受載主體的鋸齒狀應(yīng)變集中帶。
【學(xué)位單位】：河北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB332
【部分圖文】：

研究背景的復(fù)合材料通過(guò)不同順序和角度的紡紗拼接而成，進(jìn)而形成“層”的概的結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致力學(xué)性能的下降，如：弱抗面內(nèi)切強(qiáng)度及低的橫向拉實(shí)際需求范圍[1-3]。三維編織復(fù)合材料是綜合現(xiàn)代復(fù)合材料和編織技材料，通過(guò)長(zhǎng)短纖維規(guī)律交織而成的復(fù)雜形狀織物增強(qiáng)體，通過(guò)在增強(qiáng)，客服了經(jīng)典層合板層間剪切強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。此外，該種材料在強(qiáng)勞和耐腐蝕等方面也展示出優(yōu)越性能。由于三維編織技術(shù)的可設(shè)計(jì)性料空間結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的調(diào)整，織造成型各種規(guī)則形狀或異性的整體結(jié)構(gòu)的整體性以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的可設(shè)計(jì)性，使得其受到航天航空、能源程領(lǐng)域的青睞[4-9]。近年來(lái)，隨著編織織造技術(shù)的成熟和工藝成本下為主承力構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)用范圍，并提升了潛在應(yīng)用價(jià)值。圖 1-1 為三實(shí)際工程中的應(yīng)用。

圖 2-1 平紋編織復(fù)合材料的示意圖和三維編織預(yù)制體制備通過(guò) RTM 方法進(jìn)行固化處理而制成的三維編織和三維，實(shí)際操作流程如圖 2-2 所示。三維編織碳纖維/環(huán)氧700-12 K 碳纖維，母向花節(jié)長(zhǎng)度 7±0.5 mm/個(gè)花節(jié)。樹(shù)脂為主體的基體材料進(jìn)行模具成型，最終制得尺寸為料試樣。試樣的具體編織結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)如表 2-1 所將復(fù)合材料板狀構(gòu)件經(jīng)過(guò)機(jī)械加工，制得長(zhǎng) 220 mm，在試件兩端均粘貼 50 mm×25 mm 鋁質(zhì)加強(qiáng)片以減小夾組測(cè)試數(shù)目 4 個(gè)。合材料采用 12 k 碳纖維橫向紗和緯紗以及 3 k 碳纖維接標(biāo)準(zhǔn) ASTM D3039 / D3039M-14，將其切割成長(zhǎng)方形，

圖 2-2 編織復(fù)合材料的制備流程圖表 2-1 三維四向編織復(fù)合材料的工藝參數(shù)號(hào) 編織角度/° 纖維體積/% 厚度/mm 密度1 30 55 2.2 2 30 55 4.2 能測(cè)試紋編織拉伸、壓縮和壓痕測(cè)試能試驗(yàn)機(jī)（CMT5305）上，以 1mm / min 的速度進(jìn)行碳纖維平紋復(fù)合驗(yàn)，如圖 2-3 所示。在拉伸載荷條件下，通過(guò)使用 AE 信號(hào)采集系統(tǒng)損傷演變的 AE 信號(hào)。兩個(gè) RS-54A 寬頻帶傳感器(100-900 kHz)用膠試樣表面上，它們之間的距離為 55 mm，采樣頻率設(shè)置為 3.5 MHz。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2893071