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碳纤维缠绕复合材料结构损伤的声发射行为研究

碳纤维缠绕复合材料结构损伤的声发射行为研究

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作者：任夏颖河北大学

学位级别：硕士

碳纤维增强复合材料因其具有高比强度、高比刚度、轻质化等优点,目前已被广泛应用于航天航空、汽车、压力容器等大型结构中。在复合材料制作过程中,纤维缠绕技术由于易实现自动化且生产效率高,常用作管件、传动轴以及压力容器等结构的... 详细信息

碳纤维增强复合材料因其具有高比强度、高比刚度、轻质化等优点,目前已被广泛应用于航天航空、汽车、压力容器等大型结构中。在复合材料制作过程中,纤维缠绕技术由于易实现自动化且生产效率高,常用作管件、传动轴以及压力容器等结构的制作工艺。然而,在长期复杂的服役条件下,碳纤维缠绕复合材料结构容易产生各种类型的缺陷和不同程度的损伤,这些损伤会对结构的机械强度和使用寿命产生负面影响,进一步导致其发生灾难性失效。声发射技术由于能够反映材料和结构内部存在的损伤,在结构健康监测领域展现出巨大的发展潜力。在声发射信号中不同的损伤模式会表现出不同的时频特征,因此从特征参数和原始波形两个分析角度出发,进一步揭示碳纤维缠绕复合材料结构在不同载荷作用下的损伤破坏机理具有重要意义。基于此,本文针对不同缠绕角度的碳纤维缠绕复合材料NOL环试样和管试样,开展环向拉伸、径向压缩以及轴向压缩载荷作用下的声发射响应特性实验,主要研究内容及结论如下:(1)利用聚类算法和小波包变换,建立损伤模式与频率范围之间的映射关系,依据不同频带的能量占比明确声发射信号的损伤类型,提出基于声发射技术和深度学习的梅尔频谱-卷积神经网络分类模型。确定基体开裂、纤维/基体脱粘以及纤维断裂三种损伤模式对应的频率范围分别为0-187.5 k Hz、187.5-312.5 k Hz和312.5 k Hz以上。混淆矩阵表明所提出的分类模型能够准确识别90.8%的损伤声发射信号。(2)利用声发射技术与梅尔频谱-卷积神经网络分类模型,研究碳纤维缠绕复合材料结构在环向拉伸载荷作用下的损伤破坏行为。基体开裂、纤维/基体脱粘和纤维断裂三种损伤模式的分类准确率分别为88.4%、95.4%以及89.5%。此外,碳纤维缠绕复合材料结构主要的损伤机制包括基体开裂和纤维/基体脱粘,不同损伤模式发生的顺序为基体开裂、纤维/基体脱粘、纤维断裂。(3)综合分析声发射信号的振幅、峰值频率、能量、撞击累积数以及哨兵函数,揭示不同缠绕角度的碳纤维缠绕复合材料结构在径向压缩载荷作用下的损伤破坏行为。缠绕角度为±75°的管试件具有更好的抗压性能,其抗压强度较±35°和±55°管试件分别提升123.5%和14.6%,同时由于其韧性降低,缩短了失效载荷的到达位移;±35°管试件损伤程度最严重,其声发射撞击累积数为其余试件的20-30倍,且三种缠绕角度试件的基体开裂损伤占比均达到90%以上。此外,可以利用突变的高能量声发射信号和哨兵函数的变化趋势来反映碳纤维缠绕复合材料结构的损伤程度。(4)结合声发射和红外热成像技术,分析缠绕角度对碳纤维缠绕复合材料结构在轴向压缩载荷作用下的损伤破坏模式的影响。±35°碳纤维缠绕管的损伤破坏模式为剪切破坏,其余管试件为端部破碎。缠绕角度越接近加载方向,基体的受损程度减小,纤维的损伤程度逐渐增大。±35°管试件的基体开裂损伤较其他试件分别减少32.7%和48.5%,纤维断裂损伤增加20.4%和160.6%。此外,碳纤维缠绕复合材料结构三种典型损伤模式的发生顺序为基体开裂→纤维/基体脱粘→纤维断裂。

关键词：碳纤维缠绕复合材料结构声发射技术特征参数分析原始波形分析深度学习损伤演化

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