基于聲發(fā)射信號分析的2D及3D紡織結構復合材料損傷機制研究.pdf

1、隨著纖維增強復合材料更加廣泛地應用到航空航天、汽車和建筑工程等領域，損傷破壞等安全性問題是其生產和使用的前提和關鍵。聲發(fā)射技術是一種實時無損檢測技術，比其它無損檢測方法能更早地預報出復合材料及結構的損傷。由于復合材料在加載過程中可產生大量聲發(fā)射信號，且聲發(fā)射信號包含了關于損傷源許多有用的信息，對這些信息進行解析可為了解和掌握復合材料損傷破壞機理提供有效的依據。復合材料聲發(fā)射技術研究的目的是識別聲發(fā)射信號包含的損傷源信息，所以對大量聲發(fā)射

2、信號的分類以及與損傷機制之間建立聯系成為研究的重點，也是難點。近年來，聚類分析是一種被廣泛接受的用于區(qū)別大量聲發(fā)射信號的一種無監(jiān)督的模式識別技術。聲發(fā)射技術用于纖維增強復合材料的損傷研究已有不少報道，但主要是針對單向和正交熱固性復合材料，而在2D及3D紡織復合材料等復雜增強體熱固性復合材料以及熱塑性復合材料方面的研究和結果比較少。
　　本論文提出了表征聲發(fā)射信號的Laplacian分值結合相關分析及主成分分析的特征選擇方法，以復雜

3、結構纖維增強復合材料拉伸過程產生的聲發(fā)射信號為基礎，對六種聚類算法進行了對比討論；采用Silhouette值及Davies-Bouldin指標進行聚類有效性判定，并基于Matlab軟件設計開發(fā)了簡單實用的聚類分析工具，便于對聲發(fā)射信號數據進行聚類分析和處理。本論文采用聲發(fā)射信號聚類分析技術對熱固性復雜結構和熱塑性復合材料進行了全面的研究。首先探討了2D及3D玻璃纖維和碳纖維機織增強熱固性復合材料的拉伸聲發(fā)射信號特征與聚類分析，其次對 P

4、E/PE梯度熱塑性復合材料的力學性能和聲發(fā)射信號特征進行了分析，然后分別采用基于 Weibull理論的纖維束模型、數字高速攝影技術裂紋計數法、掃描電子顯微鏡技術等，建立了不同聚類與損傷機制之間的聯系，并結合損傷閾值方法討論了纖維增強復合材料拉伸過程中損傷的產生與發(fā)展過程，最后采用小波分析方法討論了熱固性和熱塑性復合材料聲發(fā)射特征的異同。論文研究的詳細內容如下：
　　1.考慮到聚類分析過程中特征選擇的重要性，針對聲發(fā)射信號研究了特征

5、選擇方法。提出了采用Laplacian分值和相關分析的特征選擇方法，以消除特征冗余，選擇出具有較高分類能力及表征聲發(fā)射信號的特征參數。在進行聚類分析前，對選取的九個聲發(fā)射信號進行特征選擇，選擇出四個特征：峰值振幅、峰值頻率、RA值及質心頻率為具有分類能力的特征，根據主成分分析法可以找出有效表征聚類聲發(fā)射信號的參數，便于對聚類結果的分析和討論。
　　2.對比研究了k-means、k-means++、fuzzy c-means(FCM

6、)、SOM+k-means、SOM+FCM和自適應仿射傳播AAP算法用于聚類復合材料 AE信號數據的優(yōu)缺點。k-means++和 AAP算法的聚類效果較好，但是 AAP算法的計算時間較長，計算成本較大，且必須保證選取的 AE信號特征參數使信號之間分離度較好時才易于收斂，否則將陷入不斷迭代過程，而 k-means++算法對于初始聚類中心優(yōu)化選擇，易得到好的聚類結果，且算法簡便、計算成本低、計算速度快，更適用于復合材料 AE信號數據的聚類分

7、析?；?Matlab R2013a軟件設計開發(fā)了聚類分析工具，可對不同材料加載產生的未知聲發(fā)射信號進行全面的分析處理。
　　3.研究了2D及3D玻璃纖維機織熱固性復合材料的聲發(fā)射信號特征。采用聚類分析技術對熱固性2D平紋及3D正交玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的拉伸過程產生的聲發(fā)射信號數據進行了分析和處理。特征選擇方法選擇出的四個聲發(fā)射特征可將 AE事件可分為四類。峰值振幅與峰值頻率是可以表征AE信號的最重要的聲發(fā)射特征參數，所有

8、試樣的聚類分布形狀和聚類邊界范圍相似。
　　4.研究了2D及3D碳纖維機織熱固性復合材料的聲發(fā)射信號特征。對聲發(fā)射信號進行了聚類分析并與相同結構的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的聚類結果進行了對比與討論，結果表明，相同結構不同材料的聲發(fā)射信號的聚類分布及聚類參數范圍相似，而碳纖維的聚類邊界值比玻璃纖維高。2D及3D復合材料不同加載方向產生的聲發(fā)射信號可歸納為三類：低振幅&低頻率類，高振幅&低頻率類，以及寬振幅&高頻率類。
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9、.研究了熱固性復合材料聲發(fā)射信號聚類結果與損傷機制之間的聯系?；赪eibull理論纖維束模型模擬了纖維斷裂數目，考察了高頻聚類中的聲發(fā)射信號數目的對比，結果顯示出一定程度上的一致性，為高頻聲發(fā)射事件與纖維斷裂相關提供了額外的依據。根據2D玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料在透射光下的特點，采用數字高速攝影技術對可見裂紋進行了計數，將不同聚類中的聲發(fā)射事件與原位觀察到的裂紋數目和發(fā)展趨勢進行了對比，并建立了機織熱固性復合材料聲發(fā)射信號聚類與典型

10、損傷機制之間的聯系。
　　6.研究了熱塑性纖維增強復合材料的力學性能，并采用聲發(fā)射聚類分析技術和損傷閾值方法探討了拉伸損傷機制。首先，分別制備和研究了單向及正交梯度 PE/PE復合材料的力學性能，并分析了正交梯度和非梯度材料的聲發(fā)射信號能量分布及特征。其次，對PE/PE正交梯度復合材料的拉伸聲發(fā)射信號進行了分析和聚類，不同試樣的聲發(fā)射信號分為5類時最佳，峰值振幅與質心頻率作為主要模式特征對聚類結果進行了討論。然后，結合文獻中模型試