无损检测技术在纺织复合材料断裂性能研究中的应用展望

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1、无损检测技术结课论文（刘畅）无损检测技术在纺织复合材料断裂性能研究中的应用展望SX1501101刘畅（南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室）摘要：提出了无损检测技术在纺织复合材料断裂性能研究应用思路。介绍了两种常用的无损检测技术，再针对裂纹扩展问题给出了结合无损检测仿真软件CIVA和其他软件研究纺织复合材料断裂性能的思路，并基于目前纺织复合材料断裂性能实验研究中存在的问题，对未来无损检测技术的发展要求进行了展望。关键词：无损检测；纺织复合材料；断裂性能；仿真引言无损检测诊断技术是一门新兴的应用学科，综合利用光学、电磁学、

2、声学等多种物理化学原理，在不损伤被检测对象的条件下对材料内部的结构异常或者缺陷进行检测。在工业生产、建筑以及航空航天等诸多领域有非常广泛的应用前景[1,2]。在航空航天领域对“轻质高强”材料的需求日益增加的背景下，复合材料飞速发展。其中纺织复合材料利用纺织技术将纤维束沿着指定方向编织成一个整体，克服了传统层合板复合材料层间性能差的缺点，具有良好的可设计性[3]。虽然纺织复合材料力学性能优异，但是因其结构复杂，且复合成型难度大，关于其力学性能的理论和实验研究迄今尚不完善，这就限制了该种类型的材料的大规模推广应用。关于纺织复合材料的力学

3、性能的理论研究目前主要集中在刚度和强度性能上，国内外的学者利用刚度解析法[4,5]和有限元仿真技术[6,7]等研究手段较好的预测了材料的刚度性能，但纺织复合材料强度性能的理论预测和实验值依旧差别较大。这主要因为编织材料内部纱线走向复杂，且和基体之间界面性质尚不明确，同时复合成型后较易形成随机的缺陷。材料内部缺陷的存在对材料的强度性能影响较大。目前在纺织复合材料的强度研究中还没有引入有效的研究材料内部缺陷的手段，无损检测技术的发展为研究该种材料内部缺陷和损伤以及裂纹扩展提供了可能。本文先介绍了两种主要的无损检测技术，然后以2.5D机织

4、复合材料[8]为例，结合断裂力学和复合材料细观力学知识，提供了利用无损检测技术研究纺织复合材料断裂性能研究的思路，并对无损检测技术在实验中应用进行展望。无损检测技术结课论文（刘畅）1两种主要的无损检测技术目前用于无损检测诊断的方法有很多，除了一些常规（射线、超声、渗透、涡流等）方法外，还有电子散斑干涉、激光超声等。其中应用较广、技术较为成熟无损检测技术包括：超声、涡流等。1.1超声检测诊断技术[9]超声检测诊断技术是无损检测应用中最为广泛的方法之一。它的基本原理是利用材料本身活内部缺陷对超声波传播的影响来判断结构内部及表面缺陷的大小

5、、形状和分布情况。之所以选择超声波进行检测，其主要原因在与超声波波长较短，波长短决定了它具备一下重要特性：（1）方向性好，具有光波一样定向束射特性；（2）穿透力强，在某些金属材料中，其穿透力能达数米；（3）能量高，超声波工作频率高；（4）遇有界面处将产生反射、折射和波型转换，利用超声波在介质中传播时的物理现象，经过巧妙设置，使超声检测灵活性、精确度得以大幅度提高。根据超声检测原理制作出的超声检测诊断仪，通过输出的图像，能够较为直观对材料内部的缺陷进行探查。图1、图2分别为超声检测仪的原理示意图以及一种基于超声检测原理的超声检测仪。图

6、1超声检测仪原理图2OmniScanMX相控阵超声检测仪1.2涡流检测诊断技术[9]涡流检测是涡流效应的一项重要应用。其基本原理是当载有交变电流的检测线圈靠近导电试件时，由于线圈磁场的作用，试件会感生出涡流。涡流的反作用又使检测线圈的阻抗发生变化，因此通过检测线圈阻抗的变化，就可以得到材料无损检测技术结课论文（刘畅）有无缺陷的结论。涡流检测的主要特点如下：（1）因其原理是基于电磁感应原理，所以涡流检测只针对导体材料；（2）涡流检测在材料表明灵敏度较高，适合做材料表面和近表面的检测；（3）不需要耦合剂，可以非接触进行检测；（4）可用于

7、小零件的检测，涡流感应线圈可绕制成各种形状，因此可对小尺寸零件进行检测。基于涡流检测原理制成的涡流检测仪器及原理图如图3、图4所示：图3涡流检测仪原理图图4相控阵涡流检测仪2无损检测仿真技术在纺织复合材料断裂性能研究中应用思路2.1传统研究断裂扩展的VCCT技术断裂力学的研究中，裂纹的形状对裂端区应力应变场的分析非常重要，这也间接影响到应力强度因子的计算，从而最终影响到对材料是否失效的判断[10]。另外对裂纹扩展（扩展方向）形式的分析可以帮助我们更好的了解材料的破坏机理，从而为材料的性能优化提供依据。目前基于ABAQUS等商用有限元

8、软件的断裂分析只能进行一些较为简单的裂纹扩展的仿真。例如采用虚裂纹闭合技术（VCCT）对测试均质材料的Ⅰ型断裂韧性的双悬臂梁弯曲DCB试件的加载和层间开裂过程进行了数值模拟。在分析中利用虚裂纹闭合技术计算出试验件分层尖端的应变能释放率