收藏本站
《东华大学》 2010年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于声发射技术的聚乙烯自增强复合材料损伤模式识别研究

王旭  
【摘要】:超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是一类具有高度取向伸直链结构的高性能有机纤维,具有轴向比强度、比模量高,韧性、耐磨性能和抗冲击性能优异,以及抗化学腐蚀性、电绝缘性和生物相容性等特点,广泛应用于各类行业。近年来随着热塑性复合材料的快速发展,其结构在工程领域中的应用已越来越广泛,其中基于"One Polymer Composites"概念的PE自增强复合材料,由于化学相容性改善了界面性能,并更好地发挥了纤维的综合性能。同时,原料丰富、价格低廉及回收便利性,使其相对其它复合材料在成本和性能等方面更具竞争优势而受到广泛的重视。对PE自增强复合材料损伤机理的研究是保证其服役过程的安全以及合理设计的基础。在对玻纤、碳纤增强热固性复合材料损伤机理的研究表明,声发射(Acoustic emission, AE)技术能够为材料损伤过程提供丰富和实时的信息,是进行材料损伤机制研究的有效工具。目前该领域已有的研究工作主要集中于热固性复合材料,而针对热塑性复合材料的研究尚不多见。PE自增强复合材料是典型的热塑性复合材料,本文将采用AE技术对其损伤过程的AE特征进行研究,以建立损伤机制和AE信号的关系并对损伤源进行分类和鉴别,为工程实际应用中基于AE技术的热塑性复合材料损伤机制鉴别提供简便有效的方法。 纤维增强复合材料的损伤机理十分复杂,包括纤维断裂、基体开裂、界面脱粘、分层等。为了揭示PE自增强复合材料各种不同损伤机制的AE时域和频域特征,建立损伤机制和AE信号的对应关系,实现对AE信号的分类和鉴别,并最终建立基于神经网络方法的AE信号模式识别系统,本文主要开展了以下研究工作。首先,针对热塑性基体复合材料的破坏特点,采用简单模型试样来激发产生预期损伤模式的AE信号,结合模型试样在损伤过程中的力学性能变化并通过FFT讨论典型损伤模式AE信号的时域和频率特征;其次,根据简单模型试样的破坏过程研究了AE信号的聚类分析,包括相似性测度、聚类变量的选择、聚类结果的确认,以此建立PE自增强复合材料典型损伤模式AE信号分类方法,并比较常用判别分析方法对典型损伤模式AE信号的判别效果;最后,建立实现PE自增强复合材料损伤AE信号分类和识别的神经网络系统,并比较多种优化算法对神经网络性能的影响。 实验结果表明模型试样的拉伸破坏过程包括多种不同的损伤机制,伴随损伤过程的AE响应能较好地反映出损伤过程的阶段性特征。基体试样AE活动性低、信号数量少,损伤机制包括塑性变形和断裂;90°单层板产生不同程度的界面损伤AE信号;0°和[+45°/-45°]层合板结构复杂、损伤源多,AE活动性高、信号数量多,前者产生纤维断裂信号,后者产生层内剪切和层间损伤信号。基体塑性变形、界面初始损伤等破坏程度低的损伤机制,AE信号幅度低、持续时间短。基体断裂、界面脱粘、纤维断裂和分层等破坏程度严重的损伤机制,AE信号幅度高、持续时间长。从损伤进程上看,各试样早期损伤基本伴随持续时间短的低幅度信号,而持续时间长的高幅度信号主要发生在断裂阶段。AE信号的FFT分析表明,非损伤信号和损伤信号以及各类损伤信号间都具有不同的频率特征。虽然不同损伤机制的AE信号时域和频率参数存在差异,但其分布范围存在重叠,使得仅通过时域或频率参数进行损伤源的鉴别尚存在困难。 伴随复合材料损伤过程的AE信号是多种损伤模式的混合信号。因此,对AE信号进行聚类分析的目的是建立典型损伤机制和AE信号的对应关系。为了获得可靠的聚类结果,分别对基体、90°单向层合板、纤维束试样、反对称层合板等简单模型试样破坏过程的AE信号进行聚类分析。首先,通过对8个常用AE信号参数进行变量聚类分析表明,不同损伤机制AE信号参数分为3类时,类内相似程度较大,类间相似度较小,且相似关系一致,分别从中选择幅度、峰值频率和持续时间作为模式特征,并采用k-means算法对各类模型试样的AE信号进行了聚类分析,结合SEM观察对聚类结果进行了验证,以此建立8种典型损伤机制的AE信号训练样本。以聚类分析的结果对AE信号进行了判别分析,模式特征组间均值相等的假设检验证明,各模式特征对AE信号判别均产生有效作用。此外,以识别正确率比较了欧氏、马氏距离判别法和k近邻法的判别效果,实验结果表明,马氏距离判别法对损伤AE信号具有较好的判别效果,超过90%的识别正确率说明以幅度、峰值频率和持续时间作为模式特征,可以实现不同损伤机制AE信号的模式识别。不同判别方法的判别错误均来自于基体断裂和界面脱粘,以及基体塑性变形-1和界面损伤之间的相互误判。各典型损伤信号在模式空间中的分布情况说明,当各类别信号的相互分离程度较好时识别率较好,而当各类别信号间存在重叠时就会出现相互的误判,从而导致识别正确率的降低。虽然通过聚类和判别分析的模式识别方法可以实现对AE信号的分类和识别,但是整个分析流程相对复杂、效率低且操作上不够方便。 为进一步提高对AE信号源机制的分类和鉴别准确率和数据分析操作的便利性,更好地适应工程实际应用的需要,本课题进一步研究了基于神经网络技术的AE信号模式识别,包括分别建立竞争型SOC网络和多层前向BP网络实现对AE信号的聚类和识别。通过对相同数据集分别进行SOC网络分类和聚类分析的对比发现,两种方法分类的一致性达到98%以上,说明SOC网络对于AE信号的聚类分析是可行的和有效的。在相同结构的BP网络和实验数据的前提下,对标准BP算法及其改进算法的训练过程和识别正确率进行了比较,实验结果表明:标准BP算法训练时间长,训练结果易受到不同的网络初始值的影响,识别率最低,几乎没有实际应用价值。基于启发式的改进算法中,有动量可变学习速度法和弹性梯度下降法均能在一定程度上提高识别率,同时也能改善训练速度。基于标准数值优化的改进算法中Levenberg-Marquardt算法具有最佳的训练效果,该算法最适合作为BP网络的训练算法。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TQ325.12

【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 康海松;基于声发射信号分析的热障涂层损伤模式识别研究[D];湘潭大学;2014年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张同华;杨璧玲;彭永超;晏雄;;基于声发射检测技术的PE/PE自增强复合材料破损机理分析[J];材料工程;2007年01期
2 杨璧玲;张慧萍;张同华;庄兴民;晏雄;;含材料非线性的热塑性聚乙烯自增强复合材料逐渐损伤分析[J];材料工程;2009年11期
3 庄兴民,晏雄;UHM WPE/HDPE层合板拉伸损伤扩展的有限元数值模拟[J];复合材料学报;2005年05期
4 庄兴民;张慧萍;晏雄;;聚乙烯自增强复合材料损伤过程的声发射特征[J];复合材料学报;2006年02期
5 杨璧玲;张同华;张慧萍;周晓鸥;晏雄;;基于声发射信号模式识别的UHMWPE/LDPE复合材料损伤机制分析[J];复合材料学报;2008年02期
6 宋俊;肖长发;;UHMWPE纤维的表面改性研究进展[J];纺织导报;2006年12期
7 王旭;晏雄;;聚乙烯自增强复合材料损伤行为的声发射特征[J];纺织学报;2010年03期
8 张慧萍,庄兴民,晏雄,高小玲;聚乙烯自增强复合材料的制备及力学性能[J];高分子材料科学与工程;2004年01期
9 张慧萍,庄兴民,晏雄,高小玲;聚乙烯自增强复合材料的热分析[J];高分子材料科学与工程;2004年06期
10 肖长发;超高相对分子质量聚乙烯纤维[J];高分子通报;2004年04期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王春红;王瑞;于飞;;竹原纤维增强低熔点聚酯复合材料的制作及其性能研究[J];工程塑料应用;2006年10期
2 吴丹;方立明;曹贤武;赵耀明;;超高分子量聚乙烯加工中的亚稳性现象研究[J];工程塑料应用;2009年02期
3 朱丹;王耀先;张兴鲁;程树军;;PCH/UHMWPE复合材料的性能研究及应用[J];工程塑料应用;2009年03期
4 王从科;李金鹿;李根臣;张霞;赵付宝;张永侠;李茂东;;环氧树脂拉伸损伤过程的声发射特性研究[J];工程塑料应用;2009年11期
5 王从科;李金鹿;张霞;赵付宝;杨雪艳;张吉雷;;PE纤维胶丝束拉伸损伤过程的声发射特性研究[J];工程塑料应用;2010年01期
6 王从科;张霞;吕秀莲;凡丽梅;;EVAC拉伸损伤过程的声发射特性研究[J];工程塑料应用;2011年05期
7 程选生;杜永峰;;正交各向异性钢筋混凝土板结构弹性常数的确定[J];四川建筑科学研究;2006年05期
8 周静南;廖绍凯;;纳米橡胶增韧环氧树脂性能研究[J];四川建筑科学研究;2010年03期
9 朱春江;唐德善;马文斌;;基于灰色理论和BP神经网络预测观光农业旅游人数的研究[J];安徽农业科学;2006年04期
10 袁健;陈丽侠;耿宝江;;基于BP神经网络的闽江上游洪水预报[J];安徽农业科学;2011年24期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 艾浩;董春迎;;非对称复合材料层合板多稳态构型分析[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
2 马毓;赵启林;江克斌;;树脂基复合材料连接技术研究现状及在桥梁工程中的应用和发展[A];2011复合材料桥梁技术研讨会论文集[C];2011年
3 朱坤宁;万水;;复合材料桥面板截面参数分析与设计研究[A];2011复合材料桥梁技术研讨会论文集[C];2011年
4 李红军;马超;;电磁声发射技术在地雷等金属壳体爆炸物的结构安全检测中的应用分析[A];全国危险物质与安全应急技术研讨会论文集(上)[C];2011年
5 陈小飞;吉莉;刘昆;;基于自适应线性神经网络的磁悬浮飞轮控制[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
6 张涛;卓静;;泊松效应对碳纤维板材拉伸强度的影响研究[A];第七届全国建设工程FRP应用学术交流会论文集[C];2011年
7 张志强;李国禄;王海斗;徐滨士;朴钟宇;;声发射技术在接触疲劳失效检测中的应用[A];2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议论文集[C];2011年
8 蔡佳昆;宋海平;李健;;某型飞机主起落架全机平衡条件下的疲劳试验方案设计[A];全国结构振动与动力学学术研讨会论文集[C];2011年
9 王蒙;阳能军;王新刚;;声发射检测技术研究现状与发展趋势[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)上册[C];2011年
10 马超;马阅军;顾正甫;何田;;基于机匣声发射传感器阵列的碰摩故障定位研究[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)上册[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 全惠敏;电能质量相关信号的S变换检测算法及应用研究[D];湖南大学;2010年
2 宋清昆;自适应结构优化神经网络控制研究[D];哈尔滨理工大学;2009年
3 陈文正;保险公司债券投资研究[D];南开大学;2010年
4 包健;有限精度权值神经网络优化的研究与应用[D];华东理工大学;2011年
5 庞世红;夹层玻璃等效厚度研究[D];中国建筑材料科学研究总院;2009年
6 李熹平;快速热循环注塑模具及工艺关键技术研究[D];山东大学;2010年
7 杨娜;基于云参数干旱遥感监测模型与集合卡尔曼滤波的土壤湿度同化研究[D];武汉大学;2010年
8 高贯斌;关节臂式坐标测量机自标定方法与误差补偿研究[D];浙江大学;2010年
9 黄光东;基于智能算法的滑坡稳定性建模与分析[D];中国地质大学(北京);2011年
10 肖卫国;节理岩体本构模型和其细观力学方法理论研究[D];北京交通大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 朱晓岭;多传感器信息融合技术在铣削过程监测中的应用研究[D];南昌航空大学;2010年
2 刘贞刚;煤岩体破裂的微地震响应特征研究[D];山东科技大学;2010年
3 滕景忠;智能瓦斯传感器的研制[D];山东科技大学;2010年
4 赵章;复合材料薄壁梁的耦合静变形及其振动特性研究[D];山东科技大学;2010年
5 李娜;基于神经网络的非线性系统H_∞控制[D];广西师范学院;2010年
6 王文栋;GEP及SVM融合的分类技术研究[D];广西师范学院;2010年
7 邹宗勇;建筑膜材料力学性能研究[D];浙江理工大学;2010年
8 辛栋;纤维增强聚合物复合材料力学性能的数值预测[D];郑州大学;2010年
9 王利明;一种基于PMIPv6的智能辅助高效切换方案[D];郑州大学;2010年
10 王岩;混凝土受氯离子侵蚀劣化的ANFIS分析[D];郑州大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 Li Yang;Zhi-Chun Zhong;Yi-Chun Zhou;Chun-Sheng Lu;;Quantitative assessment of the surface crack density in thermal barrier coatings[J];Acta Mechanica Sinica;2014年02期
2 牟仁德;陆峰;何利民;贺世美;黄光宏;;热障涂层技术在航空发动机上的应用与发展[J];热喷涂技术;2009年01期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 崔建伟;王旭;张同华;晏雄;;UHMWPE/LDPE复合材料拉伸破坏的声发射特性研究(Ⅱ)[J];玻璃钢/复合材料;2006年03期
2 理华,徐春广,肖定国,黄卉,郑军,季皖东,郭浩;滚动轴承声发射检测技术[J];轴承;2002年07期
3 张志华,朱章森,李儒兵;几种修正的自适应神经网络学习算法及其应用[J];地球科学;1998年02期
4 陈守余,周梅春;数据开采的BP神经网络方法及其应用[J];地球科学;1998年02期
5 庄兴民,晏雄;UHM WPE/HDPE层合板拉伸损伤扩展的有限元数值模拟[J];复合材料学报;2005年05期
6 庄兴民;张慧萍;晏雄;;聚乙烯自增强复合材料损伤过程的声发射特征[J];复合材料学报;2006年02期
7 杨璧玲;张同华;张慧萍;周晓鸥;晏雄;;基于声发射信号模式识别的UHMWPE/LDPE复合材料损伤机制分析[J];复合材料学报;2008年02期
8 梁子青,王弢;“孚泰”牌UHM WPE纤维的性能与应用[J];纺织科学研究;2002年03期
9 肖长发;超高分子量聚乙烯膜轴向压缩变形结构的研究[J];高等学校化学学报;1995年07期
10 肖长发;超高相对分子质量聚乙烯纤维[J];高分子通报;2004年04期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 林均品,张勇,陈国良;骨架增强复合材料的微观结构和性能[J];材料工程;2000年06期
2 高金花;李炜;;三维纺织结构增强复合材料的几何模型[J];纤维复合材料;2006年04期
3 戴青春;胡红;;纬编针织增强复合材料的拉伸性能[J];纺织学报;2008年01期
4 吕立斌;王照宇;荀勇;;碳纤/玻纤缝编织物增强复合材料的性能研究[J];上海纺织科技;2010年10期
5 郭建辉;;“管状机织物增强复合材料的工程应用研究”项目通过天津市教委验收[J];天津工业大学学报;2011年06期
6 赵鸿汉;;我国已进入多元化高性能纤维增强复合材料的新时期[J];玻璃钢;2012年02期
7 张岩;孙宝忠;;三维编织物增强复合材料横向冲击频域响应特征[J];东华大学学报(自然科学版);2013年01期
8 ;新的玻纤增强复合材料[J];上海化工;1987年05期
9 宋月鹏,冯承明,许斌;铸铁基硼化物增强复合材料的研究[J];农业工程学报;2002年03期
10 王守仁;耿浩然;张景春;王英姿;;三维网络结构增强复合材料磨损模型的研究[J];摩擦学学报;2006年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李斌太;蒋诗才;张宝艳;邢丽英;陈祥宝;;Z向增强复合材料技术研究[A];复合材料——基础、创新、高效:第十四届全国复合材料学术会议论文集(上)[C];2006年
2 张红梅;祁利民;肖永栋;;玻纤/聚丙烯混纤纱增强复合材料的研究[A];第十四届玻璃钢/复合材料学术年会论文集[C];2001年
3 陈良家;姚学锋;岑松;;不同胞元对单向增强复合材料等效弹性常数预测的影响[A];北京力学会第20届学术年会论文集[C];2014年
4 张永成;;碳/玻璃纤维双增强复合材料在便携式电子设备中的应用[A];中国电子学会化学工艺专业委员会第五届年会论文集[C];2000年
5 王鹏飞;王俊勃;袁建畅;赵川;孙永奇;;织物增强复合材料的拉伸性能[A];第十三届玻璃钢/复合材料学术年会论文集[C];1999年
6 张发;顾伯洪;孙宝忠;;平纹机织玄武岩增强复合材料面内动态压缩行为有限元模拟[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
7 张凯;段慧玲;王建祥;;蜂窝的微观组织和性能研究[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
8 林鹏;王长利;李焰;刘文祥;王等旺;;玻纤增强复合材料冲击Hugoniot参数实验研究[A];第九届全国冲击动力学学术会议论文集(下册)[C];2009年
9 卢珣;章明秋;容敏智;;全植物纤维复合材料——Ⅱ.剑麻纤维自增强复合材料的酶降解性能研究[A];复合材料:生命、环境与高技术——第十二届全国复合材料学术会议论文集[C];2002年
10 韩帅;李义;段跃新;肇研;;碳纤维经编织物增强复合材料力学性能研究[A];复合材料:创新与可持续发展(上册)[C];2010年
中国重要报纸全文数据库 前2条
1 高立新;日首艘玻璃钢扫雷艇下水[N];中国建材报;2011年
2 吉林石化研究院院长 王勋章;碳纤维产业发展亟待提速[N];中国化工报;2012年
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 张卓;纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料面内力学性能研究[D];天津工业大学;2003年
2 王旭;基于声发射技术的聚乙烯自增强复合材料损伤模式识别研究[D];东华大学;2010年
3 秦志刚;经编针织物增强复合材料结构与性能研究[D];东华大学;2011年
4 龙海如;纬编针织物增强复合材料力学性能研究[D];东华大学;2002年
5 张同华;基于声发射技术的PE/PE自增强复合材料损伤检测研究[D];东华大学;2008年
6 徐艳华;双轴向交织纬编针织复合材料加工制造及其拉伸性能研究[D];东华大学;2011年
7 桂乐乐;纤维方位角对玻纤增强复合材料细观力学行为的影响研究[D];中国矿业大学(北京);2012年
8 刘沛;高性能织物增强聚四氟乙烯复合材料摩擦学性能研究[D];复旦大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 燕德利;起圈织物增强复合材料的细观结构和力学性能研究[D];南京航空航天大学;2012年
2 刘文建;三维纬编间隔针织增强复合材料压缩应变率效应[D];东华大学;2006年
3 孙佳英;纺织增强复合材料抗环境腐蚀性能的研究[D];浙江理工大学;2013年
4 何琼;压延类柔性复合材料力学性能的研究[D];东华大学;2006年
5 许景秀;非织造布增强复合材料的制备及力学性能研究[D];天津工业大学;2003年
6 乔东;新型双轴向纬编间隔织物增强复合材料的加工制造及力学性能研究[D];东华大学;2008年
7 张振杰;MEMS微尺度有序增强复合材料的制备及力学性能表征[D];上海交通大学;2012年
8 王文燕;纬编双轴向衬纱针织物增强复合材料的力学性能研究[D];天津工业大学;2008年
9 王玮;贝壳粉的改性及其增强复合材料的应用[D];东华大学;2011年
10 刘密密;聚乳酸增韧增强复合材料的制备及性能表征[D];东华大学;2011年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026