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基于声发射技术的PE/PE自增强复合材料损伤检测研究

张同华  
【摘要】: 超高相对分子量聚乙烯(Ultra-high Molecular Weight Polyethylene,简记为UHMWPE)纤维具有拉伸强度高、模量高、韧性、耐磨性好以及抗冲击性能强等特点,其自增强复合材料可获得优良的综合性能,在许多工程领域得到广泛的应用。但是,由于加工工艺的不尽合理以及加工条件的不尽理想必然会造成复合材料的缺陷,如孔隙、裂纹、疏松、界面结合不好等。复合材料在服役过程中承受的载荷、机械损伤、疲劳、蠕变以及复杂环境等因素都会因缺陷而引起材料的损伤,严重的损伤会形成材料的整体破坏而造成重大事故。因此,对材料在服役过程中进行实时检测,做好安全预警是防止重大事故产生的前提。 声发射检测无疑是对材料损伤过程进行实时检测最好的方法之一,对预防重大事故的发生起到重要的作用。前人对碳纤维/环氧树脂、玻璃纤维/环氧树脂等热固性材料声发射的研究较多,而对热塑性复合材料损伤破坏声发射检测研究较少。热固性材料由于其塑性差、弹性变形低、材料损伤破坏过程中信号比较明显。而热塑性材料可塑性强、弹性变形相当较高。声发射信号的发生有着与热固性材料的很大差异。复合材料的损伤破坏过程伴随着信号的发生、传播,复杂的材料结构也会对信号的传播产生影响,每一破坏又会因破坏模式的不同而表现出不同的信号特征。因此,对热塑性复合材料破坏过程中进行实时检测,掌握不同结构PE/PE自增强复合材料受载破坏过程中信号的活跃情况,研究信号在材料中的传播特征,分析不同类型的信号的波形是进一步揭示材料损伤破坏模式,确定声源位置以及声源特征具有重要的意义。 本文首先对纤维材料、基体材料、[0°]层合板、[+45°/-45°]层合板和[90°]层合板等五种试样拉伸破坏过程进行声发射全程监测,以参数分析的方法对试样不同的破坏特征加以区分。结果表明,不同的试样在拉伸过程表现出明显不同的应力应变关系,而声发射历程中所表现出来的信号活动情况以及信号特征(包括幅度、能量、持续时间)也有着明显的不同,而且从声发射信号的参数特征来看材料的损伤破坏具有阶段性,不同的阶段信号的特征有所区别。同时,利用扫描电镜(SEM)观察材料的破坏断口,发现复合材料层合板的损伤破坏存在多种机制(如,纤维断裂、基体开裂、界面分离和分层),声发射信号参数的不同正是由于材料的不同损伤破坏所致。声发射检测是研究材料拉伸过程中损伤演化规律以及损伤类型行之有效的手段,能清晰直观地反映材料的损伤特征。 为了克服参数分析方法的缺点和不足,本文引入了被广泛接受的模态声发射技术来研究声发射信号,它是基于板波理论上大量用于对板状结构材料损伤检测的分析技术。基于板波理论建立了Lamb波传播模型,计算了薄板中信号的传播。先应用层板理论对单向板和对称铺层的复合材料层合板的弹性特征进行建模,根据不同弹性特征给出最低阶对称模式和最低阶反对称模式的Lamb波频散控制方程。结合Lamb波波动方程和边界条件,理论预测了给定材料参数下的不同铺层的PE/PE复合材料层板中的最低价Lamb波频散曲线,计算结果表明Lamb波在板中的传播与波的传播方向、纤维的铺层方向密切相关,Lamb波传播速度的大小依赖层板的弹性特征。 掌握层合板中信号的传播规律为实际声发射检测过程提了供理论依据,对板中Lamb波模式的出现情况进行了解。分析可知最低价反对称模式的信号A_0在薄板中占有重要的地位,这正是声发射检测中(特别是模态声发射理论下声源定位)所主要研究的对象。本文实验验证了理论预测,运用小波变换的方法进行了声源定位,同时研究PE/PE复合材料层合板中信号的衰减特征,为声发射检测中传感器的布置提供依据。 利用断铅实验研究了声发射信号在PE/PE复合材料层板中的衰减特征,得到了信号的衰减规律;同时讨论了Gabor小波分析在信号时频分析中的作用.利用Gabor小波分析实验验证了层板理论控制方程的正确性;进而研究了断铅模拟信号以及试样拉伸断裂损伤源定位问题。研究结果表明:信号在层板中的衰减比较严重,尤其是在距声源50mm的范伟内,高频信息大部分都被滤掉,较低频率(低于200KHz)较长波长的信号能够在较长范围内传播,这一试验为声源定位中传感器布置提供了依据。 Gabor小波适用于对瞬态非平稳信号的分析,小波变换的小波系数峰值对与信号的传播时间相对应,利用小波分析可以验证控制方程的正确性,并且Gabor小波变换能够提供声源精确定位的工具;断铅实验和拉伸实验均表明,Gabor小波变换能够较精确地确定声发射源的位置。 最后,本文利用小波技术对声发射信号进行了识别。用正交多分辨Laplace相关滤波的方法对具有单边衰减特征的模拟信号及复合材料损伤过程声发射信号进行了多分辨相关滤波,对信号的参数进行了识别;同时,提出了运用小波多分辨分析和小波时频能量分析的方法来研究复合材料声发射信号。试验研究了基体材料、[0°]试样、[+45°/-45°]试样和[90°]复合材料层合板试样拉伸破坏过程中的特征信号。对复合材料层合板不同损伤机制进行了识别和归纳。 分析表明,多分辨相laplace相关滤波方法能够准确地识别出瞬态响应信号特征,同时可以减少相关滤波运算过程的计算量,提高运算速度。这一方法能够有效地对热塑性复合材料损伤破坏中的声发射信号进行识别;小波多分辨分析和重构能提取原始信号中的有用信息,除掉不利于分析的噪声信号;小波时频能量分析方法能够有效地区分复合材料不同的损伤机制,对材料不同的损伤破坏进行鉴别;复合材料其损伤破坏存在多种机制,纤维铺层方式及铺层角度对材料拉伸破坏模式有较大的影响。PE/PE复合材料的拉伸破坏过程AE信号复杂,材料损伤破坏机制对声发射信号特征有显著的影响,不同破坏的信号在波形特征、频谱特征方面存在不同。


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