纤维增强热塑性复合材料高温低速冲击损伤及识别研究

作     者：郑铭峰 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张芝芳

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：纤维增强热塑性复合材料 高温冲击 低速冲击 损伤模式 损伤识别 

摘      要：纤维增强热塑性复合材料(Fiber Reinforced Thermoplastic Polymer,FRTP)因其具有较高的基体断裂韧性、优异的冲击损伤容限和可循环利用等优点,已成为纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)领域的研究热点,并在航天航空、汽车制造和土木工程等领域已得到广泛应用。相比传统热固性纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Thermoset Polymer,FRSP),FRTP材料采用韧性更强、抗冲击性能更优越的热塑性基体替代了FRSP材料中的脆性热固性基体,从而显著提升了材料的抗冲击性能。然而,热塑性基体存在玻璃化转变温度,当环境温度达到其玻璃化转变温度时,热塑性基体会发生软化从而导致服役性能下降。因此,本文以FRTP层合板为研究对象,首先研究了不同温度下FRTP材料的抗低速冲击性能,结合无损检测从多角度分析了其冲击损伤模式,并与FRSP材料的高温低速冲击性能和损伤模式进行了对比;之后考察了损伤前后FRTP层合板的振动性能变化,研究了利用振动频率变化对FRTP层合板中的典型冲击分层损伤进行识别。 本文的研究对象为玻璃纤维增强尼龙6复合材料(GF/PA6),该热塑性复合材料对环境友好,广泛应用于汽车制造等行业。首先对GF/PA6热塑性复合材料和传统GF/Epoxy热固性复合材料进行了高温低速冲击试验,研究了不同温度和冲击能量对两种复合材料的力学响应、损伤模式和振动频率的影响规律。结果表明:随着温度升高,GF/PA6热塑性复合材料和GF/Epoxy热固性复合材料的峰值冲击力降低,吸收能升高,表明高温环境下两者损伤程度增加,同时,热塑性复合材料吸收的能量高于热固性复合材料,说明热塑性复合材料耗能更多,抗冲击性更好。在相同冲击能量下,两种复合材料的凹痕深度随温度升高而逐渐增大;高温对GF/PA6热塑性复合材料分层损伤面积起到抑制作用,而GF/Epoxy热固性复合材料分层面积随温度升高而显著增大。 通过模态测试分析了GF/PA6层合板在含有不同分层损伤时的振动频率;同时建立并验证了GF/PA6层合板的模态分析仿真模型,在此基础上研究了不同分层损伤参数对热塑性GF/PA6层合板的振动频率的影响。结果表明:分层损伤降低了GF/PA6复合材料层合板的刚度,进而降低其固有频率;随着分层损伤的位置从最外层界面移动到中间界面,GF/PA6层合板的高阶频率下降比较明显,而低阶频率变化不明显。 构建了人工神经网络(ANN)和有代理模型的遗传算法(SAGA),以频率变化为指标对GF/PA6层合板的分层损伤进行反演识别。利用仿真模型生成的“分层损伤参数-频率数据库对两种识别算法进行了训练,采用仿真案例和试验案例对两种算法的预测结果进行了数值验证和试验验证,并对比了两种识别算法的预测精度。结果表明:采用ANN和SAGA可以成功利用频率变化值预测GF/PA6层合板中的分层损伤;数值案例中ANN和SAGA的预测误差分别为0.15%和0.18%,预测损伤和实际损伤的面积重合率均高于90%,界面预测均正确;试验案例中,SAGA对于损伤大小和位置的预测误差略低于ANN,前者为2.04%,后者为2.26%,但对损伤界面预测结果更好,准确率达75%,而ANN仅为25%。综上,ANN对离散型损伤参数(如分层界面)的预测效果比SAGA差,优先推荐采用SAGA算法对热塑性复合材料层合板的分层损伤进行识别。