碳纤维复合材料的失效模式分析声发射信号

文摘

复合材料有复杂的失效模式。为了研究复合材料层合板的进化失败,本文做了试验研究四层压制品不同的上篮使用声发射(AE)技术。两种不同的缺陷对复合材料,包括一个洞和裂缝的中心。拉伸和弯曲测试执行缺陷分层和实时收集AE信号。通过分析获得的AE信号的谱图和集成的色散曲线,失效模式的演变可以观察到不同的层压制品。测试表明,该缺陷导致多个失效模式,实验过程中逐渐改变。还透露,分层与不同的上篮有不同的失效模式。更具体地说,不同层的叠加顺序有更大影响的发生比矩阵的分层和纤维断裂。初步研究表明,有巨大的潜力为提高复合材料的性能的仔细选择厚度上篮。

1。介绍

碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)材料使用热塑性聚合物树脂作为其矩阵和碳纤维作为增强纤维。通过装配和连接层的碳纤维增强塑料材料,复合材料有良好的工程性质,包括高强度、弯曲/平面刚度好,和伟大的热膨胀系数。因此,复合材料飞机结构领域的广泛应用,军事产品,汽车零部件(1- - - - - -3]。在复合材料层合板的寿命,不同种类的失败可能发生,包括矩阵裂纹、分层和纤维断裂。失败将导致减少复合材料的强度和刚度,这可能最终导致失败的设备。为了提高设备的安全性和可靠性,它变得非常重要研究复合材料层合板的破坏机理。这现实的需要已经吸引了许多研究者的关注。例如,史密斯和帕斯科(4)发现,层压制品的强度和失效模式不同的堆积序列是不同的。刘和郑5)利用连续损伤力学分析复合材料层合板的进步失败。近藤et al。6)进行了断裂阻力分析碳/环氧复合材料在不同失效模式下。刘等人。7]使用有限元分析探讨碳纤维复合材料的动态进步失败。

另一个重要的研究方向在复合材料层合板的破坏机理分析是使用无损声发射(AE)技术已成为使用最广泛的技术之一在结构健康监测(SHM) [8- - - - - -11]。AE是一种现象,在瞬态弹性波的形式释放应变能当材料发生破坏。因此,检测和分析了AE信号来自受损结构有利于获得宝贵的知识损失。AE信号的检测通常是基于兰姆波。一旦AE信号得到了不同失效模式下,频率分析将被用来描述失败。AE复合材料层合板的失效分析的应用导致了一系列的研究成果,主要集中在失败的3种类型,即基体开裂、分层、纤维断裂。贝克et al。12)研究了90°厚度位置和厚度的影响层板横向裂缝的发展基于模态声发射的原理,耦合与声波的能量波形峰值频率数据。Yousefi和Mohamadi13)建立了一个分层的起始和传播之间的联系和获得的AE特征并结合软熔带模型(海内外)和扫描电子显微镜(SEM)图像分析分层通过微观和宏观方法。吸引和崔14]分析了single-edge-notched层压复合材料的断裂过程与不同的上篮不同纤维复合系统配置和基于行为的高烈度声发射信号和信号类型的分类根据优势频带通过FFT和它的大小。Michalcova et al。15)声发射方法用于结构健康监测的整体加筋复合面板中,不同来源和不同的失效机制直接相关的AE使用聚类分析。此外,(16,17]分析了声发射信号来定位损伤以及纤维复合材料的力学性能。参考文献(18- - - - - -21)用了几个模式识别算法来分析收集到的AE信号,如主成分分析、K——遗传算法和模糊c。所有这些引用说明AE技术适用于实时动态监测和检测碳纤维增强塑料。

发现每个失效模式都有一个相应的频率响应范围。频率范围的矩阵裂纹、分层和纤维断裂,频率范围从我们的测试,验证了这是按照实验中执行(22- - - - - -26]。例如,调味汁等。16确认这些频率范围通过数值研究,发现频率范围矩阵裂纹,分层,和纤维断裂是100 - 300千赫,300 - 400 kHz,和400 - 700千赫。Gutkin et al。18]竞争神经网络用于分析碳纤维增强塑料,发现频率范围矩阵裂纹,分层,和纤维断裂是0 - 150 kHz, 300 - 400 kHz,和400 - 700千赫。黄等。23)使用AE信号分析纯树脂矩阵与矩阵裂纹、树脂矩阵在碳纤维丝束和切成分层标本,发现频率范围内58 - 185 kHz, 190 - 290 kHz,和405 - 455千赫。总之,上述所有实验表明,频率范围的矩阵裂纹,分层,和纤维断裂是在100 - 300千赫,400 - 550 kHz,和600 - 750千赫。基于上面的频率范围,可以执行故障模式识别。尽管研究进展,我们所知,没有工作,讨论了不同失效模式之间的相互作用。大多数独立引用讨论失效模式;例如,[22,23)研究了不同失效模式的频率范围不考虑他们的交互与进化。一个研究差距是否或如何不同的失效模式相互作用。如果可以显示不同的失效模式之间的相互作用,这将是很大的帮助对复合材料层合板的设计和更好的可靠性和寿命。

基于上述分析,本文执行实验研究探讨不同的复合材料层合板的失效模式之间的相互作用。四个准各向同性碳/环氧层压复合材料是捏造和损坏通过引入圆孔和裂缝。然后有缺陷的叠层复合材料进行拉伸和弯曲试验。在实验期间,AE信号进行收集和分析。不同于以前的工作失效模式分析,要么依赖于色散曲线(26,27)或光谱图分析(19,24,28),这项工作进行整合分析色散曲线和谱图分析。通过观察获得的色散曲线和声谱图的AE信号,失败的进化和交互模式在不同方向部队可以更好的确定。引入新的失效模式分析方法包括这项工作的主要贡献,这显然反映了板波和失效模式之间的关系以及不同的失效模式之间的关系。

2。实验

2.1。材料

本文考虑复合材料是由碳/环氧树脂预浸材料。每个板的力学性能如表所示1。总共20分层随机选择的组合层。测试所有的分层显示不同失效模式之间存在明显的相互作用。为了简单起见,本文提出了四种上篮,即[0/90/0/90/0₄]_年代,(90/0/90/0/90₄]_年代[0,₈]_年代和[0/45/0 / -45/0₄]_年代。四层的组合类似于用于(22),轻微的修改。注意,0对应于加载方向,45对应于一个与加载方向45°角,和90对应于垂直方向。数字下标表示层堆叠的数量在每一个方向和下标[…]_年代表示层是对称的中腔层压板。所有的板都有16层,但相对体积分数为0°、45°、90°层变化在每一个面板,如图1。面板1和2包含0°、90°层,但是厚度及其相对位置的数量是不同的。小组3只包含0°层和面板4同时包含0°和45°层。

材料被认为是在这个工作是碳/环氧层压复合材料使用压缩成型工艺制造。层排列在铝板上根据预先设计的上篮序列,然后压辊。之后,我们覆盖所有与发布电影防止层压板坚持泄漏。袋子里的空气抽出来创建一个真空。固化过程设置为120°C / 100 kPa / 1 h。

两种类型的缺陷对复合材料,如图2。介绍洞和裂缝的目的是调查早期故障的位置之间的关系,最终断裂。三点弯曲试验的裂缝正在减少使用切割机,和拉伸试验的裂缝诱导在生产工厂使用一个移动的钻。图2(一个)显示的位置圆孔是钻的标本,根据ASTM d5766设计- 2002 (22]。这个样品将用于拉伸试验。样本的大小是250毫米∗∗36毫米4毫米,和叠层顺序(0/90/0/90/0标本₄]_年代和[90/0/90/0/90₄]_年代。真正的标本的照片如图2 (b)。

另一方面,数字2 (c)显示了裂缝的位置用于弯曲试验的标本,与真正的标本的照片如图2 (d)。样本的大小是250毫米∗∗18毫米4毫米,和叠层顺序的标本是[0₈]_年代和[0/45/0 / -45/0₄]_年代。

2.2。设备

在实验中,一个声发射系统包括两个声发射传感器,Micro-SHM系统支持软件使用。系统是由物理声学有限公司有限公司的规范PK3I AE传感器,和AE系统的采样率设置为10 MHz,前置放大器增益40 dB和38 dB的阈值,以确保所有传感器输出数据被记录下来。此外,一些AE信号特征参数可以应用于分析,如数量,计算和振幅。

英斯特朗1342个测试拉力测试执行在一个床上。拉伸试验设备的原理图如图3(一个)。实验设备要求试样的两端被50 mm夹紧,以防止它下降。为了减少机械振动对声信号的影响,高阻尼橡胶的一层是贴接近夹具。橡胶的粘弹性有助于抑制结构振动和噪声。安装前声发射系统,一层需要高真空油脂均匀涂布在传感器减少传感器探针和样品之间的摩擦以及防止传感器探头下降。在实验过程中,两个传感器连接对称孔的标本,与孔之间的距离40毫米,每个传感器探头。加载速率是设置为1毫米/分钟,确保裂缝慢慢地、稳步增长。拉力测试的传感器位置的照片如图3 (b)。

另一方面,英斯特朗33 r4204三点弯曲测试上执行一个测试床以50 kN的最大力量。应用弯曲负荷的速度是5毫米/分钟。传感器固定在同一边,30毫米的距离。不同叠层顺序层压板类型进行测试,得到了加载力和位移的时间曲线为每个测试样本(29日]。尺寸和三点弯曲试验的程序都是按照标准ASTM D7264 / D7263M-07 [30.]。弯曲测试的原理图如图设置3 (c)。的图像传感器位置的弯曲测试如图3 (d)。

2.3。色散曲线

在进行实验之前,重要的是得到的色散曲线的四个复合材料被认为是。使用分散的软件,输入每个层压板的力学参数,可以得到色散曲线。为了简化后续的分析中,我们使用低励磁频率和截止频率设置为1 MHz。可以获得四种基本模式:外延模式(年代₀和年代₁)和弯曲模式(一个₀和一个₁)。具体的模式(年代₀abd年代₁),板内的粒子主要涉及平面运动和变形的板是对称的midthickness平面。弯曲模式(一个₀和一个₁),板内的颗粒主要有出平面运动和变形的板是反对称31日,32]。导波的表现板如图4。

结果如图5(一个)- - - - - -5 (d),分别。结果表明,群速度的年代₀和年代₁模式一致,当45°层没有包含一个₁模式没有出现在1 MHz的频率域。此外,年代₀模式有一个更大的速度和更高的频率比一个₀模式。这是按照先前的研究33,34]。

3所示。结果和分析

在测试之前,AE传感器固定在样品检测是否有信号时收到机器没有运行。如果接收到信号,这意味着机械振动所产生的噪声。为了减少振动的影响,附上一层附近的高阻尼橡胶夹并再次测试。如果没有收到信号,那么打破铅笔芯表面的样品检查传感器是否可以正常接收信号。在实验过程中,声发射系统记录的信号,在MATLAB处理使用短时傅里叶变换(STFT)进行进一步分析。

3.1。加载力和位移分析

拉伸测试执行两个上篮,即[0/90/0/90/0₄]_年代和[90/0/90/0/90₄]_年代。测试是在相同的条件下进行的上篮和时间曲线的加载力和位移两个标本图所示6。最大加载部队(力的层压板减免)[0/90/0/90/0₄]_年代和[90/0/90/0/90₄]_年代70.2 KN, 22.8 KN,休息时间是261年代和170年代。从图可以看出6在相同条件下,层压制品有0°层有更好的刚度和强度。相比之下,层压制品有90°层更容易被打破的。

三点弯曲测试执行的上篮(0₈]_年代和[0/45/0 / -45/0₄]_年代。再一次,最大加载力和位移的时间曲线如图7。的休息时间(0₈]_年代上篮是147年代,其最大加载力为139.6 N。相比之下,[0/45/0 / -45/0的休息时间₄]_年代上篮是185年代和114 N,最大加载力如图7(一)和7 (b)。可以看到,曲线[0的上篮₈]_年代有线性趋势,直到到达最后的失败。结果表明,复合层压板具有良好的弹性变形。而曲线的层压板±45°层具有相同的曲线在加载的开始,和该地区负载达到峰值后,也显著下降大约10 - 30%的高峰负荷曲线的观察,这突然的下降是由于之间的剪切强度越弱±45°层和其他层导致分层。负载降低后,标本继续维持负载,但不会超过之前的峰值负载,直到到达最后的失败。它可以发现,层压板和±45°层受到横向加载时更加耐用;然而,它的力量不是那么好。

3.2。AE信号的分析

在实验过程中,AE系统检测到并存储大量的数据样本为每一个信号。为了方便起见,我们认为6144连续数据样本的采样间隔1µ对于每一个信号。信号被记录后,短时快速傅里叶变换(STFT)是用于获得信号的谱图。使用传感器之间的距离d和群速度 ,下面的公式可以得到: 在哪里t的时间是年代₀或一个₀模式,单位:µ年代;d传感器之间的距离,单位:米;和υg是分散的群速度计算软件,单位:米/µ年代。

然后,得到色散曲线嵌入声谱图区分有用信号和噪声信号。拉伸试验,AE信号收集在不同的时间和相应的谱图(0/90/0/90/0的上篮₄]_年代和[90/0/90/0/90₄]_年代如数据所示8和9,分别。在每个图中,第一个和第三个情节AE信号谱图,分别收集的第一传感器。同样,在每个图中,第二和第四块AE信号谱图,分别收集的第二传感器。色,白线代表了年代₀模式,红线代表年代₁模式,绿线代表了一个₀模式或一个₁模式。

当看着[0/90/0/90/0的光谱图₄]_年代层压板(如图8),大多数的频率成分似乎分为两范围:一个100千赫到300千赫,另500千赫到700千赫。如上所述节1,这两个频率范围对应矩阵的失败和纤维断裂。早期的实验(如图8(一个)),相对应的频率成分矩阵裂纹和纤维断裂非常明显。随着时间的推移,相对于分层出现的频率范围和变得更明显(如图8 (b)和8 (c))。这是由于这一事实强加的压力逐渐引起断裂叠加的层压板。在后期阶段,数字8 (d)显示了一个显著增加分层的频率范围,而纤维的断裂逐渐消退。此外,色散曲线表明,当有多个峰值的频率范围(如图8 (b)和8 (c)),它可以清楚地看到年代₀和年代₁模式通过第一个峰值频率(0)附近,表明具体的模式起着主导的作用。

相反,当减少0°和增加的数量90°层,(90/0/90/0/90的主要失效模式₄]_年代层压板是矩阵裂缝(如图9)。具体来说,图9(一个)表明存在某些频率范围内的纤维断裂,但随着实验的进展,相对应的频率范围纤维断裂和分层逐渐消失。比较数据8和9,可以看出变化的数量和相对位置0°、90°层导致显著不同失效模式的变化。这清楚地表明,更好的堆叠顺序会导致较低的纤维骨折和分层的风险,即使一个洞层引入。

另一方面,进行三点弯曲试验的标本(0₈]_年代和[0/45/0 / -45/0₄]_年代。时间序列和谱图所示的实验数据10和11。

这一次,声音信号的谱图的弯曲试验更复杂的比拉伸试验。总共三个频率范围可以观察到图10,范围100 - 300千赫,400 - 600 kHz,和500 - 700千赫。因为加载方向垂直于标本,它只包含0°纤维方向,分层和纤维断裂同时发生在整个实验。包括色散曲线谱图,我们可以看到年代₀和年代₁模式有更多的著名的失效模式的影响,虽然一个₀模式已基本没有影响。

与此同时,当±45°层包括层压板,从图可以看出11也有三种不同的频率范围,但相对应的频率范围分层和纤维断裂变化与实验的进展。回忆这个层压板的加载力曲线(如图7 (b)),的时候t= 101.9(图11 (b))是接近最大加载力的时候。这时,分层的频率范围是最明显的。力不断应用时,分层减少层数的方向垂直于加载力和加载力减少引起的,所以相对应的频率范围分层和纤维断裂并不明显(如图11 (c))。在实验的最后,图11 (d)显示,频率范围的分层出现直到样品断裂。此外,这个标本的色散曲线也不同。这一次,没有一个₀模式在层压板±45°层,但是一个₁模式出现,显示没有这个模式和矩阵裂纹之间的关系。比较数据10和11,你会发现,裂缝的复合材料不同的上篮,可以观察到三个失败。然而,有明确区别两个分层;可以看出,层压板±45°层更容易遭受分层。

拉伸试验和弯曲试验的结果表明,不同上篮的分层失效模式产生重大影响。设计一个适当的上篮可以减少失败的风险。

最后,破碎的分层的图片(0/90/0/90/0₄]_年代和[90/0/90/0/90₄]_年代如图12。如图12(一个),由于断裂的纤维之间的结合力大于纤维在拉伸试验中,试样的一部分抽出时就坏了。相比之下,打破部分(90/0/90/0/90非常平坦的层压板₄]_年代,如图12 (b)。在弯曲试验,可以观察到明显的矩阵骨折标本的[0₈]_年代,如图12 (c)。相比之下,可以观察到明显的分层的标本[0/45/0 / -45/0₄]_年代,如图12 (d)。

4所示。结论

进行失效模式分析中使用AE技术有缺陷的复合材料。介绍了一种新的分析方法结合板波的色散曲线和AE信号的谱图。基于测试大约20层压制品,可以得出以下结论。(我)在两个实验中,所有复合材料具有良好的弹性变形开始装货。更多的纤维两平行于加载方向,拉伸试验的抗拉强度越强。然而,±45°厚度可能会造成分层,哪个更耐用受到垂直加载时,但强度弯曲试验是不好的。(ii)在加载过程中,故障模式的演变是相对稳定的,不会改变,但厚度结构将会改变某一故障模式的生成。此外,多个失效模式同时发生在同一层压制品。光谱图的组合和导波的色散曲线表明,该矩阵裂纹更容易比其他失效模式导波。为了提供一个实用指南的复合材料层合板的设计,在进一步的研究中,更多的测试应该进行分层与不同厚度的组合(包括缺陷和没有缺陷)给一个更全面的分析影响厚度组合的强度和可靠性。

数据可用性

手稿中的数据是通过实验获得的。如果有必要,可以提供原始数据,以保证实验的可重复性。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

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