复合材料飞轮的损伤与断裂的声发射研究

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1、武汉理工大学博士学位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

2、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旌，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—logsigBP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

3、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己开始，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肘间一持续时间(Time-Duration)、时间一频率(Time-Frequency)、时间一能量(Time-Energy)、时

4、间一振铃计数(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。武汉理工大学博士学位论文7．自行设计和制造了用于模拟飞轮损伤过程的静态实验结构，采用该结拇进行实验获得了理想的效果。8．采用着色法检测

5、飞轮的损伤情况；对本项研究中的环向缠绕的飞轮，发现其损伤的主要形式是：基体开裂、基体／纤维界面开裂n9，发现飞轮在裂纹发生稳态扩展及失稳扩展对，其声发射信号某些特征曲线有明显的特征。lO．本研究中的玻璃纤维／不饱和聚脂飞轮中的裂纹发生失稳扩展时，费利西蒂比小于0．93。11，通过有限元分析可知：本文所用结构的飞轮的最大径向及环向应力均出现在接近飞轮中部，且位置不随转速的变化而变化；最大径向应力及环向应力随着转速的升高而增大，它们与转速的关系可用二阶多项式进行很好的拟合；飞轮的失效应为飞轮中部径向应力大于材料的径向极限强度所致

6、{对于玻璃纤维／不饱和聚脂复合材料飞轮，分析所得的极限转速为：21840r／min。12．实验分析结果与有限元分析结果在损伤部位及损伤形式上保持较好的一致性，实测的极限转速稍有偏低，其值为：18655—20865r／min。本文工作得到国家自然科学基金资助项目(19972063)的支持。关键词：复合材料，飞轮，声发射，损伤与断裂，人工神经网络，有限元武汉理工大学博士学位论文AbstractBasedonthecurrentdemandofthehigh—speedflywheelsforstorage—energy,this

7、thesisfocusesonthesystematicstudyofthedamageandfractureofthehigh—speedflywheelsforstorage—energy．Forthefirsttimetheacousticemissionmethod(AE)isusedsuccessfullytomeasurethedamageofthehigh—speedflywheelforstorage-energy．Theartificialneuralnetworktechnologyisalsouseds

8、uccessfullytothedamage—typerecognition．Thefollowingissueshavebeenstudiedintheresearch：First，thepreparationofthesamplesofcompositematerialandthede