论文题目: 复合材料飞轮的损伤与断裂的声发射研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料学
作者: 刘怀喜
导师: 张恒
关键词: 复合材料,飞轮,声发射,损伤与断裂,人工神经网络,有限元
文献来源: 武汉理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文针对复合材料高速储能飞轮的现状和发展要求,在查阅和分析了大量国内外相关文献的基础上,针对复合材料储能飞轮的损伤与断裂问题进行了系统的研究。首次将声发射方法应用于飞轮损伤的检测,用人工神经网络对损伤模式进行识别,并获得了成功。 本文的研究内容包括以下几方面:一、复合材料试件的制备及损伤的检测;二、飞轮模拟结构的设计、制造及损伤的检测;三、飞轮的制造、高速破坏实验及损伤的检测与模式识别;四、复合材料中损伤的有限元模拟及飞轮损伤与断裂的有限元分析。主要创新点及相关研究结果如下: 1.在国内首次用声发射法对高速旋转构件一飞轮进行损伤检测。通过前期的试样损伤检测、模拟结构损伤的检测建立实验资料数据库,并在检测过程中采取一系列有效措施,可使飞轮的损伤信号能顺利地实时采集并被合理区分。 2.在国内首次用人工神经网络的方法对飞轮的损伤模式进行识别。通过反复试验,发现:用含有一个隐层、29个隐层节点的tansig-logsig BP神经网络,用‘trainlm方法经1500步训练后能达均方差为0.0192,具有较高的仿真精度,能很好地识别本研究中的碳纤维/环氧树脂复合材料飞轮各种损伤类型。 3.在国内首次用有限元分析方法中的“单元生死”法模拟复合材料单向层板中的脱层缺陷。以实验数据为目标不断修正模拟模式,最后能合理地模拟带缺陷的试样在承受拉伸载荷时的破坏形式,较为逼真地再现损伤过程 4.玻璃纤维/不饱和聚脂、碳纤维/环氧树脂两种复合材料在承载过程中主要的损伤类型是:基体开裂、纤维/基体界面开裂、纤维断裂。研究发现损伤在载荷远低于实际破坏载荷时就已开始,前期的损伤形式主要为基体开裂,而后期的损伤形式主要是纤维断裂。 5.用声发射特征曲线中的时间.持续时间(Time-Duration)、时间一频率(Time-Frequency)、时间-能量(Time-Energy)、时间-振铃计数(Time-Counts)等关联图能比较清晰地区分长纤维增强的树脂基复合材料的损伤各阶段。研究发现各种损伤所对应的各特征参量有明显变化规律。 6.在纤维剧烈断裂时,出现大“能量”(Energy)、大“振铃计数”(Counts)、长“持续时间”(Duration)的信号,上述参量均较其它两种损伤阶段时的损伤信号的各对应值大一个数量级以上。临界承载状态可以以纤维开始剧烈断裂为判据来确定。
论文目录:
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英文摘要
第一章 导论
1．1 储能复合材料飞轮的研究及发展概况
1．1．1 飞轮储能技术的发展
1．1．2 飞轮储能技术的现代应用
1．2 复合材料的损伤的检测及研究概况
1．2．1 概述
1．2．2 检测方法及其应用
1．3 声发射检测方法的原理及发展概况
1．3．1 检测原理及特点
1．3．2 国外研究及应用情况
1．3．3 国内研究及应用情况
1．4 人工神经网络应用于复合材料损伤分析的发展概况
1．5 本课题研究的内容及意义
1．5．1 课题研究的目的、意义
1．5．2 研究内容
第二章 单向及层合复合材料的损伤的声发射检测
2．1 试件材料的选择
2．2 单向及层合复合材料试件的制备
2．3 损伤的检测及数据处理
2．3．1 玻璃纤维／不饱和聚脂复合材料的损伤信号的声发射检测
2．3．2 碳纤维／环氧树脂复合材料的损伤信号的声发射检测
2．4 本章结论
第三章 复合材料飞轮的结构静态模拟实验
3．1 模拟结构的设计
3．2 模拟结构的制备
3．3 模拟结构的损伤试验
3．3．1 实验过程
3．3．2 实验结果及分析
3．4 本章结论
第四章 复合材料飞轮的破坏实验及损伤模式识别
4．1 引言
4．2 飞轮破坏实验试件的制备
4．2．1 试件结构
4．2．2 试件材料
4．2．3 飞轮试件的制备工艺
4．3 设备和仪器
4．4 飞轮的破坏实验
4．4．1 实验方案
4．4．2 实验过程
4．5 变频调速
4．6 损伤的声发射检测
4．7 损伤的声发射数据分析
4．7．1 人工神经网络
4．7．2 建立样本集
4．7．3 激励函数、隐层节点、训练规则等的确定
4．7．4 网络的训练及仿真
4．7．5 人工神经网络对飞轮声发射数据的判别
4．8 本章结论
第五章 复合材料飞轮损伤与断裂的过程与机理分析
5．1 飞轮损伤的着色分析
5．2 飞轮的极限转速
5．3 损伤机理的分析
5．4 提高飞轮承载能力的措施
5．5 飞轮损伤的在线检测和定期检测
5．6 本章结论
第六章 复合材料飞轮的有限元分析
6．1 复合材料飞轮损伤的有限元模拟
6．1．1 复合材料损伤的模拟原理
6．1．2 验证实验
6．1．3 有限元模拟过程
6．1．4 结论与讨论
6．2 复合材料飞轮的有限元分析
6．3 本章结论
第七章 总结
7．1 结论
7．2 对进一步研究的工作设想
参考文献
致谢
附录1：攻读博士学位期间发表的论文
附录2：攻读博士学位期间参加的科研项目
发布时间: 2005-10-11
参考文献
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