热塑性层合板两尺度变形与损伤的数字散斑相关实验分析

论文摘要

热塑性复合材料层合板AS4/PEEK广泛应用于航空航天领域。与热固性复合材料相比,热塑性PEEK树脂基体韧性明显增加,使得层合板塑性变形非常显著,因此精确分析AS4/PEEK的非弹性变形和损伤是这类材料设计和应用的基础。本文利用先进的光学测量方法-数字散斑相关法（DSCM）对AS4/PEEK [0/90]3S进行了两尺度下的变形场测量,并对该材料的细观损伤行为进行了研究。本文对数字散斑相关方法的理论进行了研究,编制了相关的程序,并将其应用在AS4/PEEK的不同尺度下的变形场测量中,结果表明这种方法是可行的。本文在OLYMPUS工业显微镜下对AS4/PEEK[0/90]3S正交层合板进行了三点弯曲加载实验,用数字散斑相关方法测量了其自由表面处的宏细两尺度下的变形。在层板试件尺度,本文用DSCM方法测量了其层间位移场分布;在亚层板尺度,测量区域限制在两个不同层间处的几个纤维上（约50μm）,发现在层间处存在较大的位移梯度;在局部纤维尺度,测量了层间附近纤维和基体界面局部区域的变形场。通过工业显微镜下的三点弯实验,实时观测了正交层合板AS4/PEEK [0/90]3S的整个损伤破坏的过程,对其中出现的横向基体裂纹、纤维断裂、纤维基体界面脱粘和分层等现象的起因进行了分析和研究,并从细观层次上探索了正交层合板的损伤演化和破坏的规律。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 热塑性基复合材料的研究进展
• 1.2.1 数值分析
• 1.2.2 实验研究
• 1.3 数字散斑相关方法概况及研究进展
• 1.4 本文的主要内容和研究意义
• 第二章 数字散斑相关方法原理
• 2.1 数字散斑相关方法的基本原理
• 2.2 相关匹配算法
• 2.2.1 基于灰度匹配
• 2.3 相关搜索技术
• 2.3.1 粗—细搜索方法
• 2.3.2 Newton—Raphson迭代搜索方法
• 2.3.3 十字搜索法
• 2.3.4 其他搜索方法
• 2.4 亚像素重建
• 2.4.1 插值法
• 2.4.2 曲面拟合
• 2.4.3 基于梯度的亚像素位移算法
• 2.5 数字散斑相关方法的误差来源和误差分析
• 2.5.1 系统误差
• 2.5.2 随机误差
• 2.5.3 误差来源定量分析与减小误差的措施
• 第三章 数字散斑相关程序开发与验证
• 3.1 数字散斑相关方法实验技术与设备
• 3.1.1 制斑技术
• 3.1.2 图像采集系统
• 3.2 数字散斑相关程序的开发
• 3.3 程序验证
• 3.3.1 人工散斑的刚体平移程序验证
• 3.3.2 自然散斑图像的数字散斑验证实验
• 第四章 用数字散斑相关方法对AS4/PEEK三点弯实验进行两尺度测量
• 4.1 试件的制备
• 4.2 实验装置
• 4.3 三点弯加载装置的开发
• 4.4 实验图像放大倍数的标定
• 4.4.1 利用材料本身的参数确定
• 4.4.2 利用外部试样的参数确定
• 4.5 实验过程
• 4.6 实验结果处理和分析
• 4.6.1 整体变形测量
• 4.6.2 层间变形测量
• 4.6.3 中间90°/90°层间的变形
• 4.6.4 细观层间变形
• 第五章 正交层合板弯曲损伤细观行为的实验研究
• 5.1 实验结果
• 5.2 弯曲损伤分析
• 5.2.1 首层破坏
• 5.2.2 基体横向裂纹
• 5.2.3 纤维与基体的脱粘
• 5.2.4 纤维破坏
• 5.2.5 层间脱粘和分层
• 5.2.6 最终破坏
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢