基于聲發(fā)射信號(hào)分析的2D及3D紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料損傷機(jī)制研究.pdf

1、隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料更加廣泛地應(yīng)用到航空航天、汽車(chē)和建筑工程等領(lǐng)域，損傷破壞等安全性問(wèn)題是其生產(chǎn)和使用的前提和關(guān)鍵。聲發(fā)射技術(shù)是一種實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，比其它無(wú)損檢測(cè)方法能更早地預(yù)報(bào)出復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的損傷。由于復(fù)合材料在加載過(guò)程中可產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號(hào)，且聲發(fā)射信號(hào)包含了關(guān)于損傷源許多有用的信息，對(duì)這些信息進(jìn)行解析可為了解和掌握復(fù)合材料損傷破壞機(jī)理提供有效的依據(jù)。復(fù)合材料聲發(fā)射技術(shù)研究的目的是識(shí)別聲發(fā)射信號(hào)包含的損傷源信息，所以對(duì)大量聲發(fā)射

2、信號(hào)的分類(lèi)以及與損傷機(jī)制之間建立聯(lián)系成為研究的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。近年來(lái)，聚類(lèi)分析是一種被廣泛接受的用于區(qū)別大量聲發(fā)射信號(hào)的一種無(wú)監(jiān)督的模式識(shí)別技術(shù)。聲發(fā)射技術(shù)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷研究已有不少報(bào)道，但主要是針對(duì)單向和正交熱固性復(fù)合材料，而在2D及3D紡織復(fù)合材料等復(fù)雜增強(qiáng)體熱固性復(fù)合材料以及熱塑性復(fù)合材料方面的研究和結(jié)果比較少。
　　本論文提出了表征聲發(fā)射信號(hào)的Laplacian分值結(jié)合相關(guān)分析及主成分分析的特征選擇方法，以復(fù)雜

3、結(jié)構(gòu)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸過(guò)程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)為基礎(chǔ)，對(duì)六種聚類(lèi)算法進(jìn)行了對(duì)比討論；采用Silhouette值及Davies-Bouldin指標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)有效性判定，并基于Matlab軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)單實(shí)用的聚類(lèi)分析工具，便于對(duì)聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析和處理。本論文采用聲發(fā)射信號(hào)聚類(lèi)分析技術(shù)對(duì)熱固性復(fù)雜結(jié)構(gòu)和熱塑性復(fù)合材料進(jìn)行了全面的研究。首先探討了2D及3D玻璃纖維和碳纖維機(jī)織增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的拉伸聲發(fā)射信號(hào)特征與聚類(lèi)分析，其次對(duì) P

4、E/PE梯度熱塑性復(fù)合材料的力學(xué)性能和聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行了分析，然后分別采用基于 Weibull理論的纖維束模型、數(shù)字高速攝影技術(shù)裂紋計(jì)數(shù)法、掃描電子顯微鏡技術(shù)等，建立了不同聚類(lèi)與損傷機(jī)制之間的聯(lián)系，并結(jié)合損傷閾值方法討論了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸過(guò)程中損傷的產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)程，最后采用小波分析方法討論了熱固性和熱塑性復(fù)合材料聲發(fā)射特征的異同。論文研究的詳細(xì)內(nèi)容如下：
　　1.考慮到聚類(lèi)分析過(guò)程中特征選擇的重要性，針對(duì)聲發(fā)射信號(hào)研究了特征

5、選擇方法。提出了采用Laplacian分值和相關(guān)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(lèi)能力及表征聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)。在進(jìn)行聚類(lèi)分析前，對(duì)選取的九個(gè)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行特征選擇，選擇出四個(gè)特征：峰值振幅、峰值頻率、RA值及質(zhì)心頻率為具有分類(lèi)能力的特征，根據(jù)主成分分析法可以找出有效表征聚類(lèi)聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)，便于對(duì)聚類(lèi)結(jié)果的分析和討論。
　　2.對(duì)比研究了k-means、k-means++、fuzzy c-means(FCM

6、)、SOM+k-means、SOM+FCM和自適應(yīng)仿射傳播AAP算法用于聚類(lèi)復(fù)合材料 AE信號(hào)數(shù)據(jù)的優(yōu)缺點(diǎn)。k-means++和 AAP算法的聚類(lèi)效果較好，但是 AAP算法的計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，計(jì)算成本較大，且必須保證選取的 AE信號(hào)特征參數(shù)使信號(hào)之間分離度較好時(shí)才易于收斂，否則將陷入不斷迭代過(guò)程，而 k-means++算法對(duì)于初始聚類(lèi)中心優(yōu)化選擇，易得到好的聚類(lèi)結(jié)果，且算法簡(jiǎn)便、計(jì)算成本低、計(jì)算速度快，更適用于復(fù)合材料 AE信號(hào)數(shù)據(jù)的聚類(lèi)分

7、析?；?Matlab R2013a軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了聚類(lèi)分析工具，可對(duì)不同材料加載產(chǎn)生的未知聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行全面的分析處理。
　　3.研究了2D及3D玻璃纖維機(jī)織熱固性復(fù)合材料的聲發(fā)射信號(hào)特征。采用聚類(lèi)分析技術(shù)對(duì)熱固性2D平紋及3D正交玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的拉伸過(guò)程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理。特征選擇方法選擇出的四個(gè)聲發(fā)射特征可將 AE事件可分為四類(lèi)。峰值振幅與峰值頻率是可以表征AE信號(hào)的最重要的聲發(fā)射特征參數(shù)，所有

8、試樣的聚類(lèi)分布形狀和聚類(lèi)邊界范圍相似。
　　4.研究了2D及3D碳纖維機(jī)織熱固性復(fù)合材料的聲發(fā)射信號(hào)特征。對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了聚類(lèi)分析并與相同結(jié)構(gòu)的玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的聚類(lèi)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比與討論，結(jié)果表明，相同結(jié)構(gòu)不同材料的聲發(fā)射信號(hào)的聚類(lèi)分布及聚類(lèi)參數(shù)范圍相似，而碳纖維的聚類(lèi)邊界值比玻璃纖維高。2D及3D復(fù)合材料不同加載方向產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)可歸納為三類(lèi)：低振幅&低頻率類(lèi)，高振幅&低頻率類(lèi)，以及寬振幅&高頻率類(lèi)。
　　5

9、.研究了熱固性復(fù)合材料聲發(fā)射信號(hào)聚類(lèi)結(jié)果與損傷機(jī)制之間的聯(lián)系?；赪eibull理論纖維束模型模擬了纖維斷裂數(shù)目，考察了高頻聚類(lèi)中的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)目的對(duì)比，結(jié)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(guān)提供了額外的依據(jù)。根據(jù)2D玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在透射光下的特點(diǎn)，采用數(shù)字高速攝影技術(shù)對(duì)可見(jiàn)裂紋進(jìn)行了計(jì)數(shù)，將不同聚類(lèi)中的聲發(fā)射事件與原位觀察到的裂紋數(shù)目和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比，并建立了機(jī)織熱固性復(fù)合材料聲發(fā)射信號(hào)聚類(lèi)與典型

10、損傷機(jī)制之間的聯(lián)系。
　　6.研究了熱塑性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，并采用聲發(fā)射聚類(lèi)分析技術(shù)和損傷閾值方法探討了拉伸損傷機(jī)制。首先，分別制備和研究了單向及正交梯度 PE/PE復(fù)合材料的力學(xué)性能，并分析了正交梯度和非梯度材料的聲發(fā)射信號(hào)能量分布及特征。其次，對(duì)PE/PE正交梯度復(fù)合材料的拉伸聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了分析和聚類(lèi)，不同試樣的聲發(fā)射信號(hào)分為5類(lèi)時(shí)最佳，峰值振幅與質(zhì)心頻率作為主要模式特征對(duì)聚類(lèi)結(jié)果進(jìn)行了討論。然后，結(jié)合文獻(xiàn)中模型試