压缩载荷下复合材料分层损伤演化声发射监测及应变分析

纤维 增强 复 合 材 料 以其 优 异 的性 能 ， 广 泛应 用 于航 空航 天 、 军事 、 汽车 、 能 源 等 诸 多 领 域 。 由于玻 璃纤 维／ 环氧 复合 材 料 受 制 造 工 艺 等 随机 因 素 的影 响， 不 可 避免地 产 生 分ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ层 、 孔 隙、 纤 维 断裂 等结 构 缺
测量 ， 同时采 用声 发 射 技 术 实 时 监 测并 记 录含 圆形
及健 康监 测等 方 面 的研 究具 有重 要 的现 实意 义 。 声 发射检 测对 动态 缺 陷 敏 感 ， 其 通 过 接 收结 构 缺 陷萌生 和发 展 过 程 中发 出 的 瞬态 应 力 波 ， 以声 发 射特 征参 量 来 记 录并 分 析 结 构 内部 损 伤 情 况 ｌ ６ Ｊ 。 电阻应变 片适 用性 好 、 测 量 精度 高 ， 是 常 用 的测 量材 料应 变 的方 法 。Ｆ ｏ ｔ ｏ ｕ ｈ ｉ Ｍ ｏ ｈ ａ ｍ ａ ｄ等¨ 利 用 声 发 射 技术 动 态监测 纤维 增强 复合 材料 不 同分层 损 伤 模式 的发 展历 程 ， 并 通 过扫 描 电镜观察 其 损伤 机 制 ， 研究
射 信 号 分 析 结 果较 吻合 。
关键词 ：复合材料 ；分层损 伤；压缩破 坏 ；声发射 ；应 变分析
中图 分 类 号 ：Ｔ Ｂ ３ ３ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３ － ０ ９ ９ ９ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ９ － ０ ０ ２ ４ － ０ ５
陷， 这 些 缺 陷在实 际工作 条 件下 ， 将加 剧 整体 结 构损
伤 的萌 生 、 扩展与积累 ， 最终导致其失稳破坏¨ 叫 。
分层 为 复 合 材 料 层 合 板 失 效 的 主 要 损 伤 模 式 之
一
。
为此 ， 对 含 分层 缺 陷复 合 材 料结 构 力 学 性 能
的单 轴 向压缩 实 验 ， 应 用 静 态 应 变 电 阻仪 进 行 应 变
分层 试件 的压 缩过 程 中损伤 的萌 生 与扩展 过 程 中产
生 的声发 射信 号 。研究 含直 径分 别 为 ５ ｍｍ 和 １ ０ ｍ ｍ
两种 圆形 分层 复合 材料 的力 学性 能及 声 发射 信 号 响 应特 征 ， 揭示 不 同 面积 分 层 损 伤 的破 坏 过 程 及 不 同
乙烯 薄膜 置 于第 １ 层 与第 ２层之 间 ， 模拟 分 层 缺 陷 。
试 验采 用真 空灌 注 成 型 工 艺 获得 复合 材 料 层 板 ， 固 化剂（ Ａ ｒ ａ ｄ ｕ ｒ ３ ４ ８ ６ ） 和环 氧树 脂 （ Ａ ｒ ａ ｌ ｄ ｉ ｔ ｅ Ｌ Ｙ １ ５ ６ ４
射、 压 电等方 法 ， 对９ ｍ Ｃ Ｘ 一 １ ０ ０风 力发 电机 叶 片进行
１ 实验 部 分 １ ． １ 试 件 制 备
将 裁剪 好 的 ６层 单 向 玻 璃 纤 维 布 （ Ｅ Ｃ Ｗ ６ ０ ０ — １ ２ ７ ０ ， ６ ０ ０ ｇ ／ ｍ ） 整齐铺设 在平板模具 上 ， 用 厚 度 为 ０ ． ０ ５ ａｍ， ｒ 直径分别为 ５ ａ ｒ ｍ和 １ ０ ｍ ｍ 的 圆 形 聚 四 氟
直径试件 的破坏路径基 本一致 ， 层 间破坏机理相 同。分层缺 陷面积的大小对试件的承载能 力有较 大影响 ， 分层缺 陷面积越 大 ，
试 件 的 承 载 能 力 降低 ， 试 件 的 破 坏 程 度 加 剧 。载 荷 一 纵 向应 变 曲 线 由 线 性 变化 到 近 似 线 性 变 化 再 到 非 线 性 变 化 的 过 程 与 声 发
料层 合板 在压 缩 载 荷 作 用 下 的分 层 扩 展 过 程 ， 并应 用 三维渐 进损 伤分 析 和粘 聚区模 型方 法模 拟 整 个失
效过 程 。但针 对 含 分 层 单 向玻 璃 纤 维／ 环 氧 复合 材
料压 缩破 坏 声 发 射 监 测 及 应 变 分 析 的研 究 涉 及 较 少， 而这 对玻璃 纤 维／ 环 氧 复合材 料结 构 服役 的 可靠 性及 健康 监测 具有 重要 的 意义 。 本 文通过 对 单 向玻 璃 纤 维／ 环 氧 复合 材 料 试 件
缺 陷检测 。Ｓ ｅ ｎ ｔ ｈ ｉ ｌ Ｋ等 结 合 应变 、 声 发 射 等 技术 及有 限元 分析 ， 检测 并 重 现 脱 粘 对 碳纤 维 增 强 复合 材料 粘接 接 头 的影 响 。姚 学 锋 等 ¨ 通 过 实 验 过 程 记 录的应 变梯 度 分析 了不 同孔径 的中心 圆孔 对 玻璃 纤维 增 强复 合 材 料 强 度 的影 响 。曹 茂 盛 等 ¨ 通 过
分层 大小 对 复合 材 料 压 缩力 学 性 能 的影 响 ， 为 复合
材料 的结 构健 康监 测 和服役 可靠性 评 估 提供 可 靠 的 参考 依 据 ¨ ” Ｊ 。
发现 声发 射技 术 能够很 好地 应用 于 复合 材料 实 际损
伤 的监测 。Ｎ ｉ ｅ ｚ ｒ ｅ ｃ ｋ ｉ 等¨ 应用 数 字 图像相 关 、 声 发
摘要 ：通过单 向玻 璃纤维／ 环氧 复合材料试 件的 单轴 向压 缩 实验 ， 结 合声发射 及应 变 电测技 术 ， 研 究含 直径分 别 为 ５ ａ ｒ ｍ
和 ｌ Ｏ ｍ ｍ 两种 圆形 分 层 复合 材 料 损 伤 演 化 特 性 ， 并 探 讨 了试 件 的 压 缩 损 伤破 坏 过 程 。 结 果 表 明 ， 在压 缩载荷作 用下 ， 两 类 分 层
压缩栽荷下复合材料分层损伤 演化 声发射监 测及 应变分析
２ ０ １ ５年 ９月
压 缩 载 荷 下 复 合 材 料 分 层 损 伤 演 化 声 发 射 监 测 及 应 变 分 析
吕智 慧 ，刘 然 ，王雅 瑞 ，周 伟
（ 河 北 大 学 质 量 技 术 监 督 学 院 ，河 北 保 定 ０ ７ １ ０ ０ ２ ）