單向Cf-Al復合材料缺陷Chirplet參數(shù)表征及強度損傷研究.pdf

1、連續(xù)碳纖維增強鋁基復合材料(Cf/Al)以其高比強度、高比剛度等優(yōu)良的空間特性，已經(jīng)成為優(yōu)異的航天器件備選材料，其產(chǎn)品缺陷檢測及質量評價已成為不可缺少的環(huán)節(jié)。實際構件中缺陷的存在是不可避免的，因此其可靠性、服役損傷容限設計變得至關重要。本文利用傳統(tǒng)超聲波檢測方法對超聲波信號進行參數(shù)化Chirplet(線調頻小波)分解，從而對Cf/Al復合材料缺陷進行高清晰識別和表征；利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)等手段對Cf/Al復合材料缺陷

2、特征進行分析并分類；采用電子拉伸機及掃描電鏡原位觀察技術等分析測試方法，系統(tǒng)研究了層狀缺陷(鋁聚集層、夾雜、分層)和圓孔缺陷對Cf/Al復合材料的拉伸、壓縮力學性能及損傷失效機理的影響，進一步通過有限元分析方法和剩余強度預測模型對含層狀缺陷和圓孔缺陷的Cf/Al復合材料的剩余強度進行了預測。
　　在Cf/Al復合材料內部制備了鋁聚集層、夾雜和分層三種層狀缺陷，對三種層狀缺陷的超聲波信號進行Chirplet分解，提取出Chirple

3、t參數(shù)變化量(中心頻率和相位)作為表征缺陷的特征參數(shù)。深入分析了層狀缺陷類型、埋藏深度(埋深)、厚度和缺陷邊邊緣的Chirplet參數(shù)變化量的特征，發(fā)現(xiàn)三種類型層狀缺陷的特征參數(shù)明顯不同；隨著層狀缺陷埋深的增加，Chirplet參數(shù)變化量基本不變；隨鋁聚集層厚度增加，Chirplet參數(shù)變化量單調變化，但是存在一個臨界厚度(0.27mm)；層狀缺陷的邊界對Chirplet參數(shù)變化量的影響敏感。
　　通過對缺陷信號的Chirplet

4、分解，編制了計算軟件，實現(xiàn)了缺陷的Chirplet幅度、埋深、中心頻率和相位四種C掃描成像。結果表明，幅度C掃描能提高圖像的對比度；埋深C掃描能給出缺陷在試件中的埋深分布；而中心頻率C掃描和相位C掃描使缺陷的邊界特征明顯；相位C掃描提高了對缺陷細節(jié)特征的分辨率，更加準確的表征分層擴展過程。
　　在實現(xiàn)對Cf/Al復合材料缺陷的超聲波檢測的基礎上，研究了鋁聚集層、夾雜、分層和圓孔對Cf/Al復合材料拉伸和壓縮強度的影響。在本試驗條件

5、下，人工制備的鋁聚集層和夾雜使Cf/Al復合材料的拉伸強度分別下降了15.8％和35.2%，壓縮強度下降了23.1%、50.5%，分層使壓縮強度下降了47.9%。Cf/Al復合材料的拉伸和壓縮強度與圓孔直徑呈指數(shù)關系下降。
　　通過有限元分析對含層狀缺陷Cf/Al復合材料的分析表明：在拉伸載荷下，夾雜邊緣過渡區(qū)的軸向和剪切應力集中比鋁聚集層更為嚴重；應力分布不隨層狀缺陷的橫向尺寸的增加而變化，采用最大應力準則對含層狀缺陷Cf/Al

6、復合材料剩余拉伸強度進行估算，與試驗結果相吻合。在壓縮載荷下，夾雜邊緣過渡區(qū)橫向應力集中最嚴重，分層次之，鋁聚集層最小；采用最大應力準則估算的剩余壓縮強度結果與試驗值基本吻合。
　　采用點強度準則(PSC)、平均強度準則(AVC)、損傷區(qū)準則(DZC)和有效裂紋擴展模型(ECGM)對含圓孔Cf/Al復合材料試樣的剩余拉伸強度進行預測，結果表明，圓孔直徑與試樣寬度之比(D/W)在0.05-0.5的整個測試范圍內，ECGM和DZC預測

7、結果與試驗值一致；當D/W>0.2時，PSC和AVC的預測結果誤差較大。對剩余壓縮強度的預測結果表明，PSC和AVC在D/W>0.2時，預測結果也存在較大誤差。
　　采用掃描電鏡原位觀察了在拉應力下，含缺口、鋁聚集層和夾雜單一缺陷Cf/Al復合材料的失效破壞過程。結果表明，鋁聚集層具有較好的韌性和強度，能夠緩解復合材料內部主裂紋前端的應力集中，從而阻礙裂紋的擴展，延緩了Cf/Al復合材料的失效破壞。夾雜因較低的強度使裂紋垂直傳播，

8、并穿過夾雜和復合材料的界面，造成復合材料的瞬間失效破壞。同時也原位觀察了在壓應力下，含鋁聚集層、夾雜和分層三種單一缺陷Cf/Al復合材料的壓縮失效過程。結果表明，Cf/Al復合材料的壓縮失效機理主要包括纖維的微屈曲和界面分層。含夾雜和分層復合材料的壓縮失效主要是屈曲分層。而含鋁聚集層復合材料的壓縮失效是纖維微屈曲破壞和屈曲分層兩種失效機制的共同作用。
　　超聲波Chirplet參數(shù)C掃描實現(xiàn)了對含鋁聚集層、夾雜和分層Cf/Al復合