基于聲發(fā)射技術的PE-PE自增強復合材料損傷檢測研究.pdf

1、超高相對分子量聚乙烯(簡記為UHMWPE)纖維具有拉伸強度高、模量高、韌性、耐磨性好以及抗沖擊性能強等特點，其自增強復合材料可獲得優(yōu)良的綜合性能，在許多工程領域得到廣泛的應用。但是，由于加工工藝的不盡合理以及加工條件的不盡理想必然會造成復合材料的缺陷，如孔隙、裂紋、疏松、界面結合不好等。復合材料在服役過程中承受的載荷、機械損傷、疲勞、蠕變以及復雜環(huán)境等因素都會因缺陷而引起材料的損傷，嚴重的損傷會形成材料的整體破壞而造成重大事故。因此，對

2、材料在服役過程中進行實時檢測，做好安全預警是防止重大事故產生的前提。 聲發(fā)射檢測無疑是對材料損傷過程進行實時檢測最好的方法之一，對預防重大事故的發(fā)生起到重要的作用。前人對碳纖維/環(huán)氧樹脂、玻璃纖維/環(huán)氧樹脂等熱固性材料聲發(fā)射的研究較多，而對熱塑性復合材料損傷破壞聲發(fā)射檢測研究較少。熱固性材料由于其塑性差、彈性變形低、材料損傷破壞過程中信號比較明顯。而熱塑性材料可塑性強、彈性變形相當較高，聲發(fā)射信號的發(fā)生有著與熱固性材料的很大差異

3、。復合材料的損傷破壞過程伴隨著信號的發(fā)生、傳播，復雜的材料結構也會對信號的傳播產生影響，每一破壞又會因破壞模式的不同而表現出不同的信號特征。因此，對熱塑性復合材料破壞過程中進行實時檢測，掌握不同結構PE/PE自增強復合材料受載破壞過程中信號的活躍情況，研究信號在材料中的傳播特征，分析不同類型的信號的波形是進一步揭示材料損傷破壞模式，確定聲源位置以及聲源特征具有重要的意義。 本文首先對纖維材料、基體材料、[0°]層合板、[+45°

4、/—45°]層合板和[90°]層合板等五種試樣拉伸破壞過程進行聲發(fā)射全程監(jiān)測，以參數分析的方法對試樣不同的破壞特征加以區(qū)分。結果表明，不同的試樣在拉伸過程表現出明顯不同的應力應變關系，而聲發(fā)射歷程中所表現出來的信號活動情況以及信號特征(包括幅度、能量、持續(xù)時間)也有著明顯的不同，而且從聲發(fā)射信號的參數特征來看材料的損傷破壞具有階段性，不同的階段信號的特征有所區(qū)別。同時，利用掃描電鏡(SEM)觀察材料的破壞斷口，發(fā)現復合材料層合板的損傷破

5、壞存在多種機制(如，纖維斷裂、基體開裂、界面分離和分層)，聲發(fā)射信號參數的不同正是由于材料的不同損傷破壞所致。聲發(fā)射檢測是研究材料拉伸過程中損傷演化規(guī)律以及損傷類型行之有效的手段，能清晰直觀地反映材料的損傷特征。 為了克服參數分析方法的缺點和不足，本文引入了被廣泛接受的模態(tài)聲發(fā)射技術來研究聲發(fā)射信號，它是基于板波理論上大量用于對板狀結構材料損傷檢測的分析技術?；诎宀ɡ碚摻⒘薒amb波傳播模型，計算了薄板中信號的傳播。先應用層

6、板理論對單向板和對稱鋪層的復合材料層合板的彈性特征進行建模，根據不同彈性特征給出最低階對稱模式和最低階反對稱模式的Lamb波頻散控制方程。結合 Lamb波波動方程和邊界條件，理論預測了給定材料參數下的不同鋪層的PE/PE復合材料層板中的最低價 Lamb波頻散曲線，計算結果表明 Lamb波在板中的傳播與波的傳播方向、纖維的鋪層方向密切相關，Lamb波傳播速度的大小依賴層板的彈性特征。 掌握層合板中信號的傳播規(guī)律為實際聲發(fā)射檢測過程

7、提了供理論依據，對板中Lamb波模式的出現情況進行了解。分析可知最低價反對稱模式的信號A0在薄板中占有重要的地位，這正是聲發(fā)射檢測中(特別是模態(tài)聲發(fā)射理論下聲源定位)所主要研究的對象。本文實驗驗證了理論預測，運用小波變換的方法進行了聲源定位，同時研究PE/PE復合材料層合板中信號的衰減特征，為聲發(fā)射檢測中傳感器的布置提供依據。 利用斷鉛實驗研究了聲發(fā)射信號在 PE/PE復合材料層板中的衰減特征，得到了信號的衰減規(guī)律；同時討論了G

8、abor小波分析在信號時頻分析中的作用．利用Gabor小波分析實驗驗證了層板理論控制方程的正確性；進而研究了斷鉛模擬信號以及試樣拉伸斷裂損傷源定位問題。研究結果表明：信號在層板中的衰減比較嚴重，尤其是在距聲源50mm的范偉內，高頻信息大部分都被濾掉，較低頻率(低于200KHz)較長波長的信號能夠在較長范圍內傳播，這一試驗為聲源定位中傳感器布置提供了依據。 Gabor小波適用于對瞬態(tài)非平穩(wěn)信號的分析，小波變換的小波系數峰值對與信

9、號的傳播時間相對應，利用小波分析可以驗證控制方程的正確性，并且 Gabor小波變換能夠提供聲源精確定位的工具；斷鉛實驗和拉伸實驗均表明，Gabor小波變換能夠較精確地確定聲發(fā)射源的位置。 最后，本文利用小波技術對聲發(fā)射信號進行了識別。用正交多分辨 Laplace相關濾波的方法對具有單邊衰減特征的模擬信號及復合材料損傷過程聲發(fā)射信號進行了多分辨相關濾波，對信號的參數進行了識別；同時，提出了運用小波多分辨分析和小波時頻能量分析的方法

10、來研究復合材料聲發(fā)射信號。試驗研究了基體材料、[0°]試樣、[+45°/-45°]試樣和[90°]復合材料層合板試樣拉伸破壞過程中的特征信號。對復合材料層合板不同損傷機制進行了識別和歸納。 分析表明，多分辨相 laplace相關濾波方法能夠準確地識別出瞬態(tài)響應信號特征，同時可以減少相關濾波運算過程的計算量，提高運算速度。這一方法能夠有效地對熱塑性復合材料損傷破壞中的聲發(fā)射信號進行識別；小波多分辨分析和重構能提取原始信號中的有用信