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本文的主要研究工作是针对复合材料板提出基于Lamb导波的无损检测实验技术,将超声与导波技术结合起来,通过分析导波信号来检测板中存在的缺陷,实现了对典型航空工程结构中铝板及复合材料板中缺陷的检测与定位。此外,发展了动态焦散线法,研究了冲击载荷作用下复合材料的动态断裂机理,为新一代航空工程结构的健康检测、安全性评估以及寿命估计提供了实验依据。
基于Lamb导波理论,本文首次提出了针对大面积板材高效快速的多级定位损伤检测方法。该方法的基本思想是结合区域定位与准确定位的优点进行损伤定位。在板中布置PZT正四边形网格,利用中心PZT激励超声波信号,四个角点PZT接收信号,把从缺陷反射的Lamb波信号看作误差,计算与无缺陷信号的相对误差能量进行多级区域定位,快速确定损伤的存在以及存在区域。再针对正四边形网格单胞中四个角点PZT接收的超声波信号,采用互相关函数法或小波变换分析缺陷反射信号与健康信号的时间延迟,从而准确判定损伤位置。本文首先针对大铝板,采用相对误差能量法确定了损伤存在的区域,再在PZT网格单胞内通过缺陷反射信号与健康信号的互相关分析准确判断了损伤位置,验证了本文提出的损伤检测方法在各向同性材料板损伤检测中的有效性。本文进一步将该方法推广到复合材料板的损伤检测。基于单层板中刚度矩阵的转轴公式,得到了纤维增强复合材料板中导波的速度面方程。依据正交各向异性材料波速面方程,采用本文提出的多级损伤定位方法,对单向碳纤维增强复合材料板中的损伤进行检测,并利用小波变换分析缺陷反射信号与健康信号的时间延迟,确定了损伤位置。
在复合材料动态断裂性能的研究中,基于动态断裂力学理论,将焦散线的理论推广到正交各向异性动态混合型断裂问题的研究,并通过动态断裂实验得到了玻璃纤维增强复合材料动态断裂韧性以及裂纹扩展过程中应力强度因子的变化等重要参量。通过裂纹扩展路径以及材料动态断裂断面的观测,分析了不同加载方式下复合材料的断裂机理。结果表明焦散线法是研究复合材料动态断裂过程的有效手段,可以用来预测未来复杂航空结构的冲击损伤破坏。