CN117054528A - 基于声发射技术的三维机织复合材料损伤模式识别方法 - Google Patents
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Abstract
基于声发射技术的三维机织复合材料损伤模式识别方法，属于碳纤维/环氧树脂复合材料损伤监测领域。本发明基于声发射技术和特殊的试件结构设计，能够通过简单的分析步骤获得三位机织碳纤维/环氧树脂复合材料中，纤维丝断裂、树脂富集区断裂以及纤维丝/树脂界面开裂的声发射信号的峰值频率。该方法能能得到成型后材料的原位声信号特征，更能代表材料的真实属性，且不需要额外制备纯树脂试件或其他形式的试件辅助分析声发射信号。具有实施简便，结果准确且具有代表性能优点。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维/环氧树脂复合材料损伤监测领域，涉及一种可以确定三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料不同组分断裂时声发射信号峰值频率的方法。
背景技术
近年来，声发射技术被广泛用于复合材料的损伤模式识别，其中声发射信号的峰值频率被认为是可以区分复合材料不同组分断裂的信号特征。然而，目前的方法中，信号的峰值频率与损伤模式没有直接的对应关系，常常根据经验认为高频信号对应纤维断裂，低频信号对应基体断裂，但是已有研究指出这种处理方法有时并不准确。
三维机织复合材料的组分一般包括纤维丝、基体和纤维丝/基体界面。一般的基于声发射信号的损伤模式识别方法中，三维机织复合材料的三种组分往往同时发生损伤，因此不同峰值频率的信号同时出现，无法得到信号的峰值频率与组分损伤之间的对应关系；结合机器学习与声发射信号的损伤模式识别方法中，同样面临需要先给出信号的峰值频率与损伤之间对应关系的困难；一些基于声发射信号的复合材料损伤模式识别方法中，需要额外制备纯基体试件以获得基体断裂产生的声信号，这种做法不仅带来额外的工作量，并且难以保证纯基体试件断裂与复合材料内的基体断裂产生同样的声发射信号，失去了材料的原位特征。因此，目前没有合理的方法给出三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料组分与声发射信号峰值频率之间的直接对应关系。
发明内容
本发明的目的是为了解决当前基于声发射信号的复合材料损伤模式识别方法中，无法确定材料组分材料失效与声发射信号峰值频率之间对应关系的问题，提供一种基于声发射技术的三维机织复合材料损伤模式识别方法。该方法能够确定三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料内，基体断裂，纤维丝/基体界面开裂，纤维丝断裂三种失效模式所对应的声发射信号的峰值频率。通过该方法获得的特征声信号，可以用来检测三维机织复合材料内的损伤情况。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于声发射技术的三维机织复合材料损伤模式识别方法，所述方法为：
步骤一：根据三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料的纱线结构，设计两种含不同裂纹扩展路径的紧凑拉伸试件，一种为裂纹沿纱线内扩展的试件，一种为裂纹沿纱线/基体或纱线/纱线界面扩展的试件；
步骤二：在试件表面布置声发射传感器，传感器位置不遮挡裂纹的潜在扩展路径；在声发射传感器与试件之间填充耦合剂，使用夹子或胶带将声发射传感器固定在试件表面；
步骤三：连接声发射系统，设置适用于复合材料的声发射采集参数；检查声发射系统是否能屏蔽环境噪音；通过轻敲试件表面，检查声发射系统是否能捕捉到有效的声信号；
步骤四：调整图像采集系统的视野范围，使其能够捕捉裂纹扩展路径，并能清晰的分辨三维机织碳纤维/环氧树脂材料的不同组分(纱线，树脂富集区)；
步骤五：加载试样，同时采集声发射信号和试件表面图像，采集载荷，加载时间，声发射信号峰值频率；
步骤六：根据裂纹扩展路径与声发射信号峰值频率出现的时间顺序，判断复合材料中树脂基体的声信号峰值频率，根据界面裂纹扩展试件的断口处的显微观察，判断纤维丝/基体界面断裂为另一种峰值频率的声信号代表的失效模式；根据纤维束内裂纹扩展试件断口处的显微观察，判断纤维丝断裂为除基体断裂、纤维丝/基体断裂对应声信号的最后一种峰值频率的声发射信号。
至此，确定了三维机织复合材料中，纤维丝、基体和纤维丝/基体界面失效时对应的声信号频率范围。
进一步地，步骤一中，试件采取紧凑拉伸形式，含两个加载孔，一个凹口和一个裂纹尖端刀口；试件的厚度尺寸小于单个纤维束的宽度；对于纤维束裂纹扩展试件，裂纹尖端刀口加工在一束纬纱内部；对于界面裂纹扩展试件，裂纹尖端刀口加工在经纱与纬纱界面处。
进一步地，步骤三中，所述声发射系统包括声发射传感器、前置放大器和声发射信号采集仪器。
进一步地，步骤五中，声发射信号采集系统应排除外界噪声，并采集峰值频率及其他信号特征；图像采集系统的采集频率不低于1Hz。
本发明相比于现有技术的有益效果为：
(1)试件在三维机织复合材料板上原位取材，所采集到的声信号特征具有更高的准确性；
(2)试件结构简单，失效模式单一，声信号频率集中；
(3)结合裂纹扩展路径图像与声发射信号，能够简单直观得到三维机织复合材料不同损伤模式对应的声信号频率，无需其他分析方法辅助，且没有其他假设。
附图说明
图1为纤维束裂纹扩展试件图；
图2为界面裂纹扩展试件图；
图3为纤维束裂纹扩展试件典型失效模式图；
图4为界面裂纹扩展试件典型失效模式图；
图5为典型载荷-时间曲线、声信号峰值频率-时间散点图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明基于声发射技术和特殊的试件结构设计，能够通过简单的分析步骤获得三位机织碳纤维/环氧树脂复合材料中，纤维丝断裂、树脂富集区断裂以及纤维丝/树脂界面开裂的声发射信号的峰值频率。该方法能能得到成型后材料的原位声信号特征，更能代表材料的真实属性，且不需要额外制备纯树脂试件或其他形式的试件辅助分析声发射信号。具有实施简便，结果准确且具有代表性能优点。
实施例1：
步骤一：根据三维机织复合材料板材纱线的结构，选取试件切割位置。分别加工一个纤维束裂纹扩展试件和界面裂纹扩展试件。试件采取紧凑拉伸形式，含两个加载孔，一个凹口和一个裂纹尖端刀口。试件的厚度尺寸小于单个纤维束的宽度。对于纤维束裂纹扩展试件，裂纹尖端刀口加工在一束纬纱内部，如图1所示；对于界面裂纹扩展试件，裂纹尖端刀口加工在经纱与纬纱界面处，如图2所示；
步骤二：使用销钉插入试件的加载孔，将试件与力学测试试验机连接；
步骤三：使用耦合剂将声发射信号探头与试件表面贴合，并用夹子或其他方式固定；
步骤四：将一套图像采集设备固定好，使相机正对试件表面，视野范围应足够捕捉裂纹的扩展路径，图像分辨率应足够观察到裂纹的扩展路径。
步骤五：力学试验机，声发射信号采集系统与图像采集系统同步触发。力学试验机采集加载过程中的载荷、时间、加载位移等信息；声发射信号采集系统应排除外界噪声，并采集峰值频率及其他信号特征；图像采集系统的采集频率不低于1Hz。
步骤六：根据界面裂纹扩展试件的结果，材料内只有基体断裂和纤维丝/基体断裂。裂纹通过树脂富集区时，声信号的峰值频率即为树脂断裂产生的声信号频率；因此，另外一种频率对应纤维丝/基体界面断裂产生的声信号峰值频率。
步骤七：相比于界面裂纹扩展试件，纤维束裂纹扩展试件内还出现了纤维丝断裂。因此，采集到的另一种峰值频率的声信号对应于纤维丝断裂，如图3～5所示。至此即可建立三维机织复合材料组分与不同峰值频率的声信号之间的对应关系。
Claims (4)
1.基于声发射技术的三维机织复合材料损伤模式识别方法，其特征在于：所述方法为：
步骤一：根据三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料的纱线结构，设计两种含不同裂纹扩展路径的紧凑拉伸试件，一种为裂纹沿纱线内扩展的试件，一种为裂纹沿纱线/基体或纱线/纱线界面扩展的试件；
步骤二：在试件表面布置声发射传感器，传感器位置不遮挡裂纹的潜在扩展路径；在声发射传感器与试件之间填充耦合剂，将声发射传感器固定在试件表面；
步骤三：连接声发射系统，设置适用于复合材料的声发射采集参数；检查声发射系统是否能屏蔽环境噪音；通过轻敲试件表面，检查声发射系统是否能捕捉到有效的声信号；
步骤四：调整图像采集系统的视野范围，使其能够捕捉裂纹扩展路径，并能清晰的分辨三维机织碳纤维/环氧树脂材料的不同组分(纱线，树脂富集区)；
步骤五：加载试样，同时采集声发射信号和试件表面图像，采集载荷，加载时间，声发射信号峰值频率；
步骤六：根据裂纹扩展路径与声发射信号峰值频率出现的时间顺序，判断复合材料中树脂基体的声信号峰值频率，根据界面裂纹扩展试件的断口处的显微观察，判断纤维丝/基体界面断裂为另一种峰值频率的声信号代表的失效模式；根据纤维束内裂纹扩展试件断口处的显微观察，判断纤维丝断裂为除基体断裂、纤维丝/基体断裂对应声信号的最后一种峰值频率的声发射信号。
2.根据权利要求1所述的基于声发射技术的三维机织复合材料损伤模式识别方法，其特征在于：步骤一中，试件采取紧凑拉伸形式，含两个加载孔，一个凹口和一个裂纹尖端刀口；试件的厚度尺寸小于单个纤维束的宽度；对于纤维束裂纹扩展试件，裂纹尖端刀口加工在一束纬纱内部；对于界面裂纹扩展试件，裂纹尖端刀口加工在经纱与纬纱界面处。
3.根据权利要求1所述的基于声发射技术的三维机织复合材料损伤模式识别方法，其特征在于：步骤三中，所述声发射系统包括声发射传感器、前置放大器和声发射信号采集仪器。
4.根据权利要求1所述的基于声发射技术的三维机织复合材料损伤模式识别方法，其特征在于：步骤五中，声发射信号采集系统应排除外界噪声，并采集峰值频率及其他信号特征；图像采集系统的采集频率不低于1Hz。
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