【摘 要】
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三维编织复合材料具有结构完整性,以及较高的抗分层与损伤容限能力,广泛应用于航空航天、兵器工业等领域。复合材料在长期服役中易产生结构损伤,通过健康监测方法可检测损伤发生与扩展,提高结构件安全性。碳纤维复合材料具有良好的导电性,利用自身电阻/电势变化实现自感应损伤监测。本文结合通道导电模型与经典梁理论,建立三点弯曲下力电模型,研究三点弯曲准静态加载和弯-弯疲劳加载下,三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料电
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三维编织复合材料具有结构完整性,以及较高的抗分层与损伤容限能力,广泛应用于航空航天、兵器工业等领域。复合材料在长期服役中易产生结构损伤,通过健康监测方法可检测损伤发生与扩展,提高结构件安全性。碳纤维复合材料具有良好的导电性,利用自身电阻/电势变化实现自感应损伤监测。本文结合通道导电模型与经典梁理论,建立三点弯曲下力电模型,研究三点弯曲准静态加载和弯-弯疲劳加载下,三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料电阻/电势动态变化,结构健康监测系统中电阻法的发展可以从该测量中得到。研究内容:(1)用四电极法测试三维编织复合材料在稳流电场中无加载时电阻,分析其导电机制与内部编织结构的关系。通过不同编织角上下表面电极连接与未连接时的电势情况,分析其编织结构的均匀性与上下表面电势值的相关性。(2)通过准静态三点弯曲测试,分析不同编织角下的宏观力学行为。采用四电极法实时监测三维编织复合材料弯曲过程中的动态电阻/电势响应,基于材料三点弯曲破坏理论推导力电模型,揭示准静态三点弯曲加载过程中损伤与电阻对应关系,分析编织角效应对敏感系数和电导率的相关性,验证力电模型与实验结果拟合情况。(3)测量在三点弯曲循环加载中的疲劳寿命圈数与应力水平的关系。对70%、80%、90%应力水平下的电阻变化进行实时监测,揭示弯曲疲劳加载过程中同一应力水平下滞后圈的面积与动态电阻变化关系,以及编织角与应力水平下的交互作用。研究发现:(1)三维编织复合材料在0.01A~0.08A范围内呈线性欧姆定律,纵向电阻随着编织角增大而增加,电阻值大小取决于内部编织结构中单根纱线长度。大编织角试件上下表面电势值在上下表面电极连接与未连接下趋于一致,表明编织结构单元越均匀。(2)三点弯曲加载过程中,弯曲强度与弯曲模量随着编织角增大而减小。当试件在线弹性阶段发生轻微树脂开裂,损伤对于不同编织角下表面电阻变化无影响,而15°与25°试件的纵向电阻变化减小;一旦纤维发生重大断裂损伤,不同编织角下表面电阻变化反映材料不同程度损伤形式,而纵向电阻变化反映材料的损伤变形程度。在整个弯曲过程中,不同编织角下材料的纵向电导率始终增加,拉伸表面的电阻响应敏感程度高于压缩表面。力电模型与15°试件实验结果拟合较好。通过电势变化可以检测出材料损伤位置及程度大小。(3)弯曲疲劳加载过程中,15°试件疲劳极限应力水平为70%。相同应力水平下,小编织角发生脆性疲劳断裂失效,等比例疲劳寿命圈数面积与电阻变化呈正相关;大编织角发生塑性变形失效,等比例疲劳寿命圈数面积与电阻变化未呈相关性。最小挠度的电阻变化反映不同编织角同一应力水平全局电阻变化。在低应力水平下,等比例疲劳寿命0.1Nf~1.0Nf,随着编织角增大,材料刚度退化与电阻变化率一致,表现为逐渐降低;在高应力水平下,0.1Nf~0.5Nf,随着编织角增大,电阻变化率先逐渐增加后降低,0.5Nf~1.0Nf材料刚度退化与电阻变化率一致,表现为逐渐降低。本文阐述三维编织复合材料动静态弯曲下的力电行为,揭示弯曲加载和弯-弯疲劳加载下的电阻/电势响应规律,为电阻法结构健康监测系统提供理论基础。
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