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模拟缺陷复合材料试件拉伸破坏声发射监测

发布日期:2016-12-26 16:52    浏览次数:

通过对V形切口复合材料试件单向拉伸分级加卸载拉伸试验及声发射实时监测,研究含切口缺陷复合材料拉伸损伤破坏及其声发射响应特征。 结果表明:复合材料切口试件拉伸损伤破坏与声发射特征参量相关;切口尖端的高应力状态导致该区域过早损伤破坏并扩展,且对应较高的声发射相对能量幅度和急剧增加的撞击数;声发射定位源主要集中在位于试件中部的切口尖端及其扩展区域。

在复合材料结构的使用和服役过程中,难免会出现裂纹等缺陷,这些缺陷在实际静动载荷疲劳等条件作用下,将加剧损伤的累积和整体结构的失稳破坏。为此,含缺陷复合材料的损伤破坏研究,对确保复合材料结构服役的可靠性和安全性具有重要作用。

试样制备如下图:

                                                            图1:V形切口复合材料试件

实验过程:V形切口复合材料试件拉伸试验在CMT5305型万能拉压试验机上进行,同时采用AMSY-5型全波形声发射仪进行全程实时监测,加载与声发射监测现场如图2所示。

单向拉伸采用位移控制,试验机加载速率设为2mm/min; 分级加卸载拉伸采用程序控制,加卸载程序为0>1000N>500N>2000N>1000N>3000N>2000N>3500N>2500N>4500N,加卸载速率设为200N/s 。为避免试验机夹具损坏试件和试验机噪声影响,在试件夹持部位两侧粘上铝加强片。声发射监测采用传感器,传感器与试件之间用凡士林耦合,然后用胶带固定在试件上,2个传感器间距为100mm, 试验所用传感器中心频率为150kHz ,内置前置放大器增益为40dB,采样频率为10MHz ,信号采集阈值设为46dB。
               

                                         图2:声发射监测现场

应变分析

V形切口复合材料试件单向拉伸和分级加卸载拉伸应力 应变曲线如图3所示,单向拉伸最大应力205MPa,分级加卸载拉伸最大应力207MPa。从开始加载到试件破坏,应力-应变曲线均表现出明显的非线性特征,这表明复合材料试件在整个加载过程均有损伤产生,损伤积累到一定程度后导致试件的最终破坏。从分级加卸载拉伸应力-应变曲线可以看出,卸载后再加载的加载段为直线,并与卸载线重合,说明该过程未出现明显的损伤。试件加载初期,卸载加载线斜率基本一致,但随着损伤的不断积累和残余应变的产生,卸载加载线斜率变小,试件刚度在不断下降,直至断裂。图4为切口试件拉伸破坏特征图。

                            图3:切口试件拉伸应力-应变曲线图

                                 图4:切口试件拉伸破坏特征

声发射参数分析:切口试件拉伸载荷-声发射相对能量-时间历程如图5所示。从图5a可以看出,由于试件损伤较少,单向拉伸初始阶段声发射相对能量几乎为零; 随着载荷的增加,出现部分较高能量的声发射事件,该现象源于V形切口尖端的应力集中导致的部分高应力纤维断裂所致; 随着载荷的继续增大,较多的低能量事件相继发生,这些事件对应于基体裂纹和纤维基体界面的开裂; 加载的最后阶段,高应力纤维逐步断裂,直至试件的破坏,此时对应着高的声发射相对能量。

与单向拉伸相比,图5b中分级加卸载条件下开始出现明显的声发射能量对应的载荷基本一致,且声发射能量均出现在加载阶段,各卸载阶段未释放出明显的声发射能量;但最高相对能量明显高于单向拉伸条件的相对能量 这是由于卸载过程中出现应力重新分配,高应力纤维得以缓解,在加载的最后阶段,高应力纤维断裂较为集中,而不是图5a中的逐步断裂。从图5b中还可以看出,在加载的最后阶段,再次加载到前次卸载点之前就已经有明显的高能量声发射事件产生,从而表现出明显的Felicity效应,此时复合材料试件的损伤已经非常严重。

图5:切口试件拉伸载荷-声发射相对能量-时间历程图

声发射撞击源定位:复合材料试件单向拉伸声发射撞击信号定位如图6a所示,定位源主要集中在切口尖端及其扩展区域,这与试件的损伤破坏相一致。此外,在整个试件的其他区域也出现少量的声发射定位信号,这主要受复合材料随机特征的影响,损伤在试件整个平面内皆有发生。

从图6b可以看出,复合材料分级加卸载拉伸声发射撞击信号定位与单向拉伸基本相似,只是定位源个数相对较多,产生这一现象的原因主要是卸载过程中部分高应力区域得以松弛,出现应力的重新分配,基体和界面的损伤累积增多所致。

                                图6:声发射撞击型号定位图

结论:

(1)V形切口复合材料试件单向拉伸和分级加卸载拉伸应力-应变曲线均表现出明显的非线性特征,这说明复合材料试件在整个加载过程均有损伤产生。

(2)V形切口尖端高应力区域的损伤破坏是复合材料试件演化阶段较早出现较高幅度和相对能量声发射事件的主要原因,这在复合材料结构健康监测中具有重要参考价值。

(3) 复合材料试件卸载段无明显损伤产生,再次加载过程中, Felicity效应的出现预示着复合材料结构的破坏。

2012.《V形切口复合材料试件拉伸破坏声发射监测》周 伟 张 亭 戚海东 韩江云等。

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