基于聲發(fā)射技術(shù)的PE-PE自增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)度高、模量高、韌性、耐磨性好以及抗沖擊性能強(qiáng)等特點(diǎn)，其自增強(qiáng)復(fù)合材料可獲得優(yōu)良的綜合性能，在許多工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)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(fù)合材料的缺陷，如孔隙、裂紋、疏松、界面結(jié)合不好等。復(fù)合材料在服役過程中承受的載荷、機(jī)械損傷、疲勞、蠕變以及復(fù)雜環(huán)境等因素都會因缺陷而引起材料的損傷，嚴(yán)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(jìn)行實(shí)時檢測，做好安全預(yù)警是防止重大事故產(chǎn)生的前提。 聲發(fā)射檢測無疑是對材料損傷過程進(jìn)行實(shí)時檢測最好的方法之一，對預(yù)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(fù)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(qiáng)、彈性變形相當(dāng)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(fù)合材料的損傷破壞過程伴隨著信號的發(fā)生、傳播，復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)也會對信號的傳播產(chǎn)生影響，每一破壞又會因破壞模式的不同而表現(xiàn)出不同的信號特征。因此，對熱塑性復(fù)合材料破壞過程中進(jìn)行實(shí)時檢測，掌握不同結(jié)構(gòu)PE/PE自增強(qiáng)復(fù)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(jìn)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(jìn)行聲發(fā)射全程監(jiān)測，以參數(shù)分析的方法對試樣不同的破壞特征加以區(qū)分。結(jié)果表明，不同的試樣在拉伸過程表現(xiàn)出明顯不同的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，而聲發(fā)射歷程中所表現(xiàn)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(shù)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(xiàn)復(fù)合材料層合板的損傷破

5、壞存在多種機(jī)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(shù)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(shù)分析方法的缺點(diǎn)和不足，本文引入了被廣泛接受的模態(tài)聲發(fā)射技術(shù)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(jié)構(gòu)材料損傷檢測的分析技術(shù)。基于板波理論建立了Lamb波傳播模型，計算了薄板中信號的傳播。先應(yīng)用層

6、板理論對單向板和對稱鋪層的復(fù)合材料層合板的彈性特征進(jìn)行建模，根據(jù)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(jié)合 Lamb波波動方程和邊界條件，理論預(yù)測了給定材料參數(shù)下的不同鋪層的PE/PE復(fù)合材料層板中的最低價 Lamb波頻散曲線，計算結(jié)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(guān)，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(shí)際聲發(fā)射檢測過程

7、提了供理論依據(jù)，對板中Lamb波模式的出現(xiàn)情況進(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論預(yù)測，運(yùn)用小波變換的方法進(jìn)行了聲源定位，同時研究PE/PE復(fù)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(jù)。 利用斷鉛實(shí)驗(yàn)研究了聲發(fā)射信號在 PE/PE復(fù)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了層板理論控制方程的正確性；進(jìn)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(jié)果表明：信號在層板中的衰減比較嚴(yán)重，尤其是在距聲源50mm的范偉內(nèi)，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(nèi)傳播，這一試驗(yàn)為聲源定位中傳感器布置提供了依據(jù)。 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(shù)峰值對與信

9、號的傳播時間相對應(yīng)，利用小波分析可以驗(yàn)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(shí)驗(yàn)和拉伸實(shí)驗(yàn)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(shù)對聲發(fā)射信號進(jìn)行了識別。用正交多分辨 Laplace相關(guān)濾波的方法對具有單邊衰減特征的模擬信號及復(fù)合材料損傷過程聲發(fā)射信號進(jìn)行了多分辨相關(guān)濾波，對信號的參數(shù)進(jìn)行了識別；同時，提出了運(yùn)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(fù)合材料聲發(fā)射信號。試驗(yàn)研究了基體材料、[0°]試樣、[+45°/-45°]試樣和[90°]復(fù)合材料層合板試樣拉伸破壞過程中的特征信號。對復(fù)合材料層合板不同損傷機(jī)制進(jìn)行了識別和歸納。 分析表明，多分辨相 laplace相關(guān)濾波方法能夠準(zhǔn)確地識別出瞬態(tài)響應(yīng)信號特征，同時可以減少相關(guān)濾波運(yùn)算過程的計算量，提高運(yùn)算速度。這一方法能夠有效地對熱塑性復(fù)合材料損傷破壞中的聲發(fā)射信號進(jìn)行識別；小波多分辨分析和重構(gòu)能提取原始信號中的有用信