三维编织复合材料拉伸与弯曲声发射特征分析.pdf
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1、第2 8 卷第4 期 2 0 0 7 年4 月 纺织学报 J o 唧a lo fT f x t i l eR e s e a 地h V 0 1 2 8N o 4 A P r 2 0 0 7 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 7 1 0 4 0 0 5 2 0 5 三维编织复合材料拉伸与弯曲声发射特征分析 万振凯 ( 天津工业大学网络中心,天津3 0 0 1 6 0 ) 摘要论述了声发射技术在三维编织复合材料拉伸和弯曲过程中的应用以及试验方法,描述了三维编织复合材 料拉伸与弯曲过程中声发射的特征。拉伸试验结果表明:编织角小的试件,其应力一应变曲线基本为直线,损伤为 脆性特
2、征;编织角大的试件,应力一应变曲线表现出双线性,各自呈现出脆性破坏特征。弯曲试验表明:小编织角复 合材料的载荷一挠度曲线保持线性关系;大编织角复合材料的载荷一挠度曲线是非线性关系。 关键词三维编织;复合材料;声发射;表面编织角;挠度 中图分类号:噶1 0 1 2文献标识码:A A c o u s t i ce m i s s i o n 锄a l y s i so ft h en e x u r a la n dt e I 塔n ep r o p e r t i e s o f3 Db 蹦d e dc 咖p 嬲i t em a t e a l s W A NZ h e n k a i ( k
3、啪以c t r 龇,研nP 0 归危n 幻跏i 唧s 蚵,嘞彬n3 0 0 1 6 0 ,劬讥口) A b s t r a c t既i sp a p e rd i s c u s s e st h e 印p l i c a t i o na I l de x p e r i m e n t a lm e t h o d0 fa c o u s t i ce I I l i s s i o n ( A E ) f o r c h 啪c t e r i z i n g3 一Db m i d e dc o m p o s i t em a t e I i a lu n d e rt e n s i
4、l ea n dn e x u 豫lf a t i g u el o 础n g I td e 吕c r i b e st h e f b a t u r e s0 fa c o u s t i ce I I l i s s i o nw h e n 印p l i e dt o3 一Db r a i d e dc o m p o s i t e 啪t e r i a Iu n d e rt e n s i l ea l l dn e x u r 8 lf 乱i g u e l o a d i n g n er e s u l t so ft e n s i o ne x p e r i m e
5、n ts h o wt h es t r e s s s t m i nc u r v ee 】【I l i b i 协l i n e a rr e l a t i o nf o r3 一Db r a i d e d c o m p o s i t e 撇t 秭a l 辆t hs m a l l e rs u 西eb r a i d e da n d ea n dt h et e n s i l ef 越l u r ep r e s e n t sb r i t t l e n e s sf e a t u r e w h e n t h es u 矗a c eb m i d e da n 9
6、 1 ei sb i g g e r ,t l l es t r e s s s t r a i nc u r 、他s h o w sb i l i n e a rr e l a t i o na n dt e n s i l ef 缸l u r ep r e s e n t s b r i t n e n e s sd a m a g e ,r e s p e c t i v e l y 孔er e s u l t so fn e x u m le x p e r i m e n ts h o wl o a d - d e n e c t i o nc u r v ei sl i n e a
7、 rT e l a t i o n f o r3 - Db r a i d e dc o m p o s i t em a t e r i a l 稍t l ls m a l l e rs u r f a c eb m i d e da I l d e ,w h i l et h e1 0 a d d e n e c t i o nc u ei sn o n 一 1 i n e a rr e l a t i o n 访t hb i g g e rs u d a c eb m i d e da n d e K e yw o r d st h r e e d i m e n s i o n a l
8、 ( 3 一D ) b r a i d e d ;c o m p o s i t em a t e 订a 1 ;a c o u s t i ce n l i s s i o n ;s u I f a c eb r a i d e d 肌d e ; d f 棚e c 6 0 n 三维编织复合材料是一种由三维编织预制件增 强的新型复合材料,其应用在国内外都处于起步阶 段。三维编织复合材料的力学性能是该材料的应 用基础,其编织方法与微观结构直接关系到它的力 学参数,因此微观变形分析对于该材料的应用设计 具有重要的意义。 国内外对三维编织复合材料的力学分析大多采 用材料试验机对材料的整体进行性能分析,
9、而在微 观变形方面的研究较少。复合材料或结构受外力或 内力作用产生变形或断裂时能以弹性波的形式释放 出应变能( 该现象称为声发射或应力波) ,该弹性波 传送到表面,可被声发射( A E ) 换能器接收,用于监 视材料在变形、失效过程中的损伤积累,并进一步实 现对失效机制进行分析和确定损伤部位等,因此可 以利用声发射技术分析,研究三维编织复合材料内 部状况,评价其力学性能等馏。 复合材料的声发射研究始于2 0 世纪7 0 年代的 美国,8 0 年代在法、日、英等国得到继续发展,大部 分研究工作都是在树脂基复合材料中进行的,在三 维编织复合材料方面还处于起步阶段,在国外虽有 收稿日期:2 0 0
10、6 0 7 2 6修回日期:2 0 0 6 1 l 一0 6 基金项目:天津市自然科学基金资助项目( 0 4 3 6 0 0 7 1 1 ) ;教育部基金资助项目( 0 3 0 0 8 ) 作者简介:万振凯( 1 9 6 幸一) ,男,教授,博士。主要研究领域为三维复合材料的计算机检测技术等。B n 璩i l :啪n 小e n k a i t j p u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第4 期万振凯:三维编织复合材料拉伸与
11、弯曲声发射特征分析 5 3 报道,但应用甚少。小波变换的理论日趋成熟,将其 应用于信号处理具有重要的学术价值。利用小波变 换理论对三维编织复合材料的声发射信号进行分析 具有一定的理论意义。 声发射是一种动态的检测方法,能测试材料微 观结构的变化,因此,声发射技术可以分析三维编织 复合材料在外力作用下内部微观结构的变化,为进 一步分析该材料的力学性能提供理论基础,具有重 要的理论意义。 1 声发射信号采集分析系统的设计 图1 描述了三维编织复合材料声发射测试机 制【3 。三维编织复合材料在承受外部负载下,材料 的行为会发生改变,出现声发射现象。声发射信号 是作用在复合材料制件上的瞬变应力在传播过
12、程中 的数字量体现,利用声发射信号可分析材料的受损 情况。计算机对声发射信号进行分析有参数法、波 形法等多种方法。参数法是通过记录和分析声发射 信号的特征参数,如幅度、持续时间等,分析材料的 破坏程度;波形法是对声发射信号的波形进行记忆, 计算信号的频谱,来分析材料的内部变化特征。A E 信号的处理过程如图2 所示H o 。 金查塑工传感器( A E 换能罂F 前置放大器 滤波器r 叫主放大器 载荷( A G E 2 5 0 试验机) l 计算机 叫高速 巾转换嚣 图l三维编织复合材料声发射测试系统原理图 F i g 1S y s t e mc h a no fa c o u s t i ce
13、 m i s s i o nf o rt h r e e d i m e n s i o n a l 蜥d e dc o m p o s i t em a t e r i a l 图2A E 信号的处理过程 F i g 2 A Ep r o c e s sc h a i n 三维编织复合材料声发射频率在2 0 0 一4 0 0k H z 之间。本文选用V s 9 0 0 一R I c ( V a l l e n 高精度声发射传 感器) 传感器,其频率范围为1 0 0 一9 0 0k H z 。系统对 波形采集数据为40 9 6 点,设置8 通道对声发射信号 进行采集。 前置放大器置于传感器附近
14、,传感器的输出信 号先经过它放大后再经过长电缆传送到主机,供主 机处理。它的主要作用是:高阻抗的传感器与低阻 抗的传输电缆之间提供匹配,以减少信号衰减;通过 放大微弱的输入信号抑制电缆噪声,以提高信号的 信噪比;提供频率滤波。 主放大器和滤波器是系统的重要组成部分。主 放大器提供了声发射信号的进一步放大,以便后续 的参数测量和计算单元进行信号处理。它具有可调 节的放大倍数,使整个系统的增益达到6 0 1 0 0d B 。 在检测系统中加入滤波器主要用来排除噪声和限定 检测系统的工作频率范围,以适应在比较复杂的噪 声环境中进行检测。经放大器和滤波器处理后,由 A D 转换器转换为数字量,随后由计
15、算机进行进一 步分析。 2 试验结果及分析 用3K 碳纤维乃0 0 B 、基体为环氧树脂I D E 8 6 、 固化剂为7 0 酸酐的增强三维编织复合材料作试件, 尺寸均为3 5m m 2 0m m 6m m 。所有试验在 S H I M A D z uA G 一2 5 0 K N E 试验机上进行,加载速度为 5 Om m r I l i n 。表面编织角是影响三维编织复合材料 的重要指标J ,为分析表面编织角对复合材料声发 射的影响,对2 4 种不同编织角的试件进行试验,本 文选用其中2 个试件测试数据进行分析,其参数见 表1 。 表l三维编织复合材料试件参数 T a b 1P a 咖e
16、t e 腭o fs p 睇i m e nf o rt h r d i m e n s i o n a l b r a i d e dc o m 烈耐t em a t e r i a l 2 1 拉伸试验结果及声发射信号特征 在图3 给出的试件拉伸试验的应力一应变一A E 曲线中可以看到,编织角小的试件A ,其应力一应变 曲线基本为直线,破坏为典型的脆性破坏;声发射事 件数的变化可以分为3 个阶段:第l 阶段的声发射 事件数与基体或界面的微裂纹产生有关,声发射能 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR t
17、o remove the watermark 5 4 纺织学报第2 8 卷 量很低,主要表现在开始加载时,加载一段时间后, 事件数降到最小值;随着损伤的发展,第2 阶段事件 数迅速增加;第3 阶段即试件破坏阶段,事件数达到 最大值,持续时间短。而大编织角试件B 的应力一应 变曲线表现出双线性,各自呈现出脆性破坏。 一 皇 杂 趟 O 0 0O 5 01 O O1 5 0 应变, ( a ) 试件A 皇6 营孑2 。k j j I _ _ 川 图3 试件的拉伸应力一应变一A E 曲线 F i g 3 S 讹s s - s t r a i n - A Eb e h a v i o ro fs p
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