碳/碳复合材料剪切损伤的超声评价

论文摘要

复合材料是一种优良的新型材料,具有比强度高、比刚度高、耐烧蚀、耐摩擦以及低密度等优良性能,被广泛应用于航空航天等多个领域。在复合材料使用中,各种损伤将严重影响材料和构件的使用性能和安全性能,剪切损伤是复合材料损伤模式之一。本文以航天用碳／碳(C/C)复合材料为研究对象,采用有限元理论模拟结合三点弯曲加载方法测试不同载荷作用下形成的不同剪切损伤程度的声衰减、声发射、电阻信号变化,探索复合材料剪切损伤的无损评价方法。本文采用了有限元分析软件ALGOR,建立了C/C复合材料三点弯曲剪切试验模型,对C/C复合材料作为各向异性材料在三点弯曲过程中的应力情况进行了分析,依照航天《三向纤维增强复合材料弯曲性能试验方法》标准设计和制作试验用夹具和测试试样,测试和记录试验结果,结果表明：C/C复合材料试样在三点弯曲试验中所产生的损伤分为三个阶段：基体开裂、纤维受力分布均匀、纤维破坏导致断裂；剪切损伤和声衰减的关系为：衰减值随着损伤程度的增加而增加；在基体开裂阶段,采集到的声发射信号(包括幅值信号、计数信号以及能量信号)较少,而电阻有明显的突增,随着载荷的增加,纤维受力分布均匀化,在此阶段的声发射信号和电阻变化都比较平缓,当载荷即将达到试样所能够承受的载荷值时,进入纤维破坏阶段,各种声发射信号明显并且数量不断增大,从电阻变化曲线上也可发现电阻的突增。整个过程中,承载能力越好的试样,所产生的声发射信号明显少于承载能力较差的试样。本文建立的有限元分析模型与实际试验结果相吻合,建立的声衰减模型可以较好地评价C/C复合材料损伤,声发射和电阻信号变化可以评价C/C复合材料损伤,其中超声衰减法适合于C/C复合材料生产过程中的质量评价,声发射法和电阻法适合在役使用检测。本文结果对保证复合材料构件安全使用具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 C/C复合材料的发展及应用
• 1.2.1 C/C复合材料的发展状况
• 1.2.2 C/C复合材料的应用
• 1.3 C/C复合材料的无损检测方法
• 1.4 本文研究工作
• 第2章 C/C复合材料的制备及力学研究
• 2.1 C/C复合材料的制备
• 2.1.1 C/C复合材料的制备工艺
• 2.1.2 C/C复合材料的性能
• 2.1.3 C/C复合材料的常见缺陷
• 2.2 三点弯曲试验
• 2.2.1 试样
• 2.2.2 试验条件与方法
• 2.3 三点弯曲试验结果
• 第3章 C/C复合材料剪切损伤的有限元分析
• 3.1 有限元分析简介
• 3.1.1 有限元技术的发展
• 3.1.2 有限元方法的基本概念
• 3.1.3 ALGOR综述
• 3.2 有限元分析方案
• 3.2.1 单元选择
• 3.2.2 分析流程
• 3.2.3 试样建模参数
• 3.2.4 网格划分
• 3.2.5 失效准则
• 3.3 有限元分析结果
• 第4章 C/C复合材料剪切损伤的超声评价
• 4.1 超声评价原理
• 4.1.1 声学参量
• 4.1.2 超声衰减测量公式
• 4.1.3 超声穿透法
• 4.1.4 超声相对衰减系数模型的建立
• 4.2 相对衰减法表征试样的损伤程度
• 4.2.1 试验过程
• 4.2.2 试验结果
• 4.2.3 试验数据分析
• 第5章 C/C复合材料剪切损伤的监测
• 5.1 损伤的声发射监测
• 5.1.1 声发射原理
• 5.1.2 声发射信号采集系统设计
• 5.1.3 C/C复合材料剪切试验的声发射评价
• 5.1.4 实验结果
• 5.2 损伤的电阻监测
• 5.2.1 试验过程
• 5.2.2 试验结果分析
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢