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碳纤维层合板分层损伤声发射特性研究

王骁  
【摘要】:碳纤维复合材料以其高比强度、比模量,性能可设计、易于整体成形等诸多优点被广泛应用于军事、民用等领域,如在航天火箭、飞机、导弹、风电叶片等制造中作为结构材料、功能材料或结构与功能集成材料,并且呈逐渐从简单零部件、次承力部件向大型复杂结构件、主承力结构件转化的趋势。抗剪切能力差是复合材料的主要缺点,特别是层合结构,所以对复合材料材料在剪切力作用下损伤模式的无损检测显得尤为重要。复合材料层间性能取决于基体性能,层间材料性能仅为纤维方向的几十分之一,分层损伤破坏是复合材料最主要的破坏形式。因此,本文对碳纤维复合材料分层损伤过程进行了研究分析。本文建立一个碳纤维复合材料开孔层合板面内损伤模型来模拟此材料在面内剪切力作用下的损伤失效形式。利用ABAQUS的子程序功能,二次开发了复合材料横向初始损伤准则,在纤维方向由纤维主导的损伤采用Hashin准则,基体主导的损伤采用Puck作用面准则。对[0°/90°]14、[45°/-45°]14两种铺层方式的T700碳纤维复合材料开孔层合板面内剪切过程进行了有限元分析,研究分析了剪切过程中出现的损伤失效形式以及损伤演化过程。对[0°/90°]14、[45°/-45°]14两种铺层T700碳纤维复合材料开孔层合板剪切损伤进行声发射监测实验研究,并利用光栅光纤技术测量实验过程中试件的应变过程,研究了各损伤破坏过程中的声发射特性,建立了损伤失效形式与声发射信号间的联系。并通过实验载荷、应变曲线以及损伤形貌的分析与有限元分析结果进行比较,分析结果和实验结果能够得到互相验证。利用K-means聚类方法对碳纤维复合材料面内剪切过程的声发射信号进行了聚类分析,选取计数和持续时间作为特征参数,分析了T700碳纤维复合材料剪切过程声发射信号的模式识别,为声发射监测预报碳纤维复合材料损伤失效提供了实验依据。


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