2D-C/SiC拉伸损伤的声发射信号聚类分析

摘要：对2D-C/SiC复合材料进行常温拉伸试验,利用声发射（AE）仪在线监测其损伤过程。应用K-均值聚类算法对AE信号进行模式识别,结合扫描电镜观察,发现2D-C/SiC复合材料拉伸过程的损伤模式包括基体开裂、界面层脱粘、层间剥离、纤维断裂以及纤维束断裂等,并得到了各种损伤模式AE信号参数的中心值。通过对不同损伤模式AE累积事件数和累积能量随时间变化的统计分析,描述了2D-C/SiC复合材料拉伸损伤演化过程。     

延性金属层裂自由面速度曲线特征多尺度模拟研究

以延性金属钽为研究对象,对钽在平板撞击下的层裂行为进行了多尺度下的数值模拟研究,从微观视角对自由面速度曲线上的典型特征进行了新的解读。在宏观尺度,对比分析了光滑粒子流体动力学法（smootfied particle hydrodynamics, SPH）与Lagrange网格法以及几种本构模型的模拟结果及其适用性。通过与实验数据的对比表明,Steinberg-Cochran-Guinan本构模型在层裂模拟中与实验数据吻合较好,通过改变加载条件获得了不同应变率下的自由面速度曲线,分析了不同应变率下的自由面速度曲线中的典型特征。在微观尺度,采用分子动力学方法获得层裂区域内损伤演化情况,揭示了宏观尺度自由面速度曲线典型特征所蕴含的物理内涵。分析表明,层裂表现为材料内部微孔洞形核、长大和聚集的损伤演化过程,自由面速度曲线上的典型特征与层裂区域的损伤演化过程存在密切关联。Pullback信号是层裂区域内微孔洞形核的宏观表征;自由面速度曲线的下降幅值在一定程度上反映了微孔洞的形核条件,由此计算得到的层裂强度实际上是微孔洞的形核强度。此外,Pullback信号后的速度回跳速率反映了微损伤演化的速率。     

铝合金在不同应力状态下微损伤演化的声发射研究

利用声发射技术对不同应力状态下铝合金的微损伤演化规律进行试验研究。首先,对铝合金在正断和切断两种断面取向的试样进行单轴拉伸试验,并同时采集微损伤声发射信号;其次,基于所采集的微损伤声发射信号构建了一个能够表征微损伤能量尺度特征和时间序列特征的随机损伤变量,进而通过对该随机变量的分析来研究铝合金在不同应力状态下的微损伤演化特征;最后,通过计算随机损伤变量在不同外载荷水平下的概率熵给出描述材料微损伤演化过程的一种表征。通过试验并辅以对断面的扫描电镜观测获得的结果是,同一种铝合金材料在两种不同应力状态下获得的微损伤概率熵曲线具有显著差异性,而在相同应力状态下分别针对铝合金材料1060和6063的微损伤概率熵曲线又具有一致性。上述研究结果可为探索铝合金在不同应力状态下的微损伤演化规律提供参考。     

微结构弹性损伤模型

本文从微结构理论出发,用相对变形描述微结构之间的微空隙和微裂纹引起的材料损伤的影响,得到用损伤张量描述各向异性损伤的微结构弹性损伤模型.化简该损伤模型可得到目前公认的几种主要损伤模型.对于混凝土材料的单向拉、压的基本受载情况的计算结果与D.krajcinovic的平面裂纹矢量损伤模型的计算结果及实验数据吻合较好,特别在失稳后阶段对实验结果也有较好描述.     

基于声发射特征的充填体损伤演化研究

为探究声发射信号与充填体细观破坏之间的关系,研究声发射特征振铃计数、能率和应力随时间的变化规律,进一步揭示充填体损伤演化过程,进行了全尾砂胶结充填体声发射特性力学实验。基于损伤力学理论并引入有效损伤率,得到基于声发射累积事件率的损伤变量,然后构建了充填体损伤本构方程。研究结果表明,声发射振铃计数和能率在不同受力阶段呈现不同变化,与充填体内部孔隙及裂纹损伤演化过程有密切关系。振铃计数在弹性阶段前期达到最大,屈服阶段逐渐降低至最小;有效损伤率值与理论峰值应力呈负相关;与实验峰值应力相比,理论峰值应力出现于应变较大处;充填体为高损伤介质,当有效损伤率取值趋近于1时,理论模型曲线与实验曲线变化趋势相同,可以较好的描述充填体应力应变关系。     

材料损伤断裂中的分形行为

本文概述了分形几何学在材料损伤断裂研究中的应用,指出断裂表面的粗糙程度及不规则性可用分形维数给予很好的定量描述,而且分形维数与材料的断裂韧性密切相关。损伤演化过程与逾渗现象极为相似,临近断裂和破碎时,某些物理量所表现出来的异常行为往往满足一定的标度关系。这方面的深入研究有助于认识断裂过程的复杂性及损伤断裂的物理机理。      

含冲击损伤复合材料层压板压缩破坏机制的声发射特性研究

复合材料层压板在压缩破坏过程中包含了丰富的声发射信息.为了研究含冲击损伤的复合材料层压板的压缩破坏机制,采用声发射观察层压板的压缩破坏过程,通过分析声发射信号的特征规律,表征了在压缩载荷下材料损伤的形式及其演化过程.结果表明:通过对声发射参数(撞击计数、能量、幅值、事件位置)和载荷曲线进行综合分析,发现损伤的发展过程经过了初始阶段、平稳扩展期和断裂阶段,冲击造成的分层区域最先出现屈曲并最早破坏;在损伤初始阶段和平稳扩展期间,损伤是一种渐进式的增长,层压板具有一定的承载能力;在断裂阶段损伤快速扩展,层压板的承载能力迅速下降,在出现纤维密集断裂的现象后整体破坏.     

马尔可夫过程在一维随机损伤模型中的应用

1 引言自从Kachanov 在1958年研究蠕变断裂时引进损伤概念后,近三十年内损伤理论得到了很大发展,但对损伤演化过程,一般多采用确定性演化方程进行描述.由于材料微结构的几何和物理特性的随机性及制造工艺和外部环境等各种随机因素的存在,所以损伤演化过程应该是随机的.近几年来,采用随机过程描述损伤演化过程已引起人们的重视.Bogdanoff 提出了用马尔可夫过程来描述损伤演化,而马尔可夫过程具有无后效性,这一点恰好符合材料的     

考虑晶体滑移面分解正应力的细观损伤模型

材料内部的解理、滑移面剥离等细观损伤是引起宏观失效的根源, 从细观尺度研究损伤的发生和发展有助于深入认识材料的变形和失效过程. 本文基于晶体塑性理论, 从滑移系的受力和变形出发研究材料的细观损伤, 建立了考虑滑移面分解正应力的细观损伤模型, 为晶体材料解理断裂的分析提供了新方法. 首先, 在晶体弹塑性变形构型的基础上引入损伤变形梯度张量的概念, 从变形运动学着手建立了考虑损伤能量耗散的本构方程, 并推导了塑性流动方程与损伤演化方程; 然后, 建立了相应的数值计算方法, 给出了应力与状态变量的更新算法, 推导了Jacobian矩阵的表达式; 接着, 以$[100]$取向的单晶铜材料为例, 通过有限元计算与试验结果的对比, 并采用粒子群优化算法标定了11个材料细观参数; 最后, 将所提细观损伤模型应用于RVE单轴拉伸过程的模拟, 得到了考虑损伤影响的应力应变曲线, 并分析了材料的塑性流动与损伤演化过程. 结果表明, 本文所提模型能够计算材料在受载过程中的损伤累积效应, 合理反映晶体材料的细观损伤机理.      

缝合式C/SiC复合材料非线性本构关系及断裂行为研究

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.      

含孔复合材料层合板静拉伸损伤演化的实验和表征方法

为了深入探究复合材料层合板结构的损伤机理和损伤演化,应用声发射技术和图像相关技术同步实时监测含孔碳纤维复合材料层合板试样在静拉伸过程中的损伤演化。实验结果表明,试样表面应变场呈现局部化特征。对应变集中带在加载方向的应变值进行了统计分析,获得了应变场的特征统计量(标准差)随加载的演化模型。层合板损伤时产生声发射信号的峰值频率大小能够有效区分复合材料的损伤模式,由此,建立了基于损伤模式累积声发射数的损伤演化模型。通过对应变场演化模型和声发射损伤演化模型的分析,可以将复合材料的损伤演化分为损伤初始阶段、损伤平稳扩展期、损伤严重阶段三个部分。统计分析结果表明:在损伤严重阶段,基于声发射事件数的各种损伤的损伤变量和局部应变场标准差快速增长,因此局部应变场统计标准差可以作为后期局部损伤严重程度的识别指标。     

延性金属层裂模型比较

在平面一维弹塑性流动有限差分计算程序中加入4种延性金属层裂模型，对平板撞击层裂实验进行数值模拟。结果表明:简单最大拉伸应力模型和简单损伤累积模型能定性反映层裂的物理现象，由于忽略损伤对本构的影响，计算结果和实验有偏差，但模型要求参数较少，对于一些精度要求不是很高的工程问题，可以采用；从材料损伤断裂物理本质出发，采用微损伤统计方法得到的NAG模型和封加波损伤度函数模型，能很好地再现实测的自由面速度剖面,数值计算结果与实验吻合很好。     

THE FATIGUE CONSTITUTIVE MODEL OF CONCRETE BASED ON MICRO-MESO MECHANICS

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.     

绝热剪切损伤和破坏的数值模拟研究

绝热剪切破坏是冲击载荷作用下金属材料中经常出现的一种重要破坏模式,尽管已经在实验中观察到了绝热剪切带内部的损伤现象,但是在理论和计算模型中往往还只是考虑它的热软化效应,对与之伴随的损伤破坏效应却鲜有讨论．该文在前人实验的基础上,提出了一个适用于绝热剪切带内部微孔洞损伤发展的演化方程,并在本构方程中同时考虑了温度和损伤对材料的影响,成功地模拟出了绝热剪切带的热软化效应和损伤破坏效应．     

复合材料层合板面内渐进损伤分析的CDM模型简

基于连续介质损伤力学,提出了一个预测复合材料层合板面内渐进损伤分析的模型,它包括损伤表征、损伤判定和损伤演化3 部分. 模型能够区分纤维拉伸断裂、纤维压缩断裂、纤维间拉伸损伤和纤维间压缩损伤4 种损伤模式,定义了与4 个损伤模式对应的损伤状态变量,导出了材料主轴系下损伤前后材料本构之间的关系. 损伤起始采用Puck 准则判定,损伤演化由特征长度内应变能释放密度控制. 假定材料服从线性应变软化行为,建立了损伤状态变量关于断裂面上等效应变的渐进损伤演化法则. 模型涵盖了复合材料面内损伤起始、演化直至最终失效的全过程. 完成了含孔[45/0/-45/90]_2S 层合板在拉伸和压缩载荷下失效分析,结果表明该模型能合理进行层合板的强度预测和损伤失效分析.     

聊聊动态强度和损伤演化

材料强度在传统上常理解为材料在外载荷下抵抗流动/变形和破断的能力。由流变阶段到貌似突发的破断,其实源于一个隐含的应变率/时间相关的损伤演化过程。动态损伤演化研究的难点在于损伤与流变总是耦合在一起发展的。研究发现,热激活损伤演化模型可成功描述材料宏观损伤的动态演化。在此基础上,从实测的含损伤演化的表观应力应变曲线,可将两者解耦分开,并可确定各自相关的材料参数。这一思路可推广到中医脉诊的客观化研究,通过脉搏波信息定量反演脉搏波系统的正常及病态本构关系,可诊断生命体偏离正常状态的程度(病情),这可视为一种广义的损伤演化和强度问题。上述思路还可推广到地震预报研究,即“对地球把脉”。与加卸载响应比理论相结合,通过相邻3处的地震波信息来反演地球相关板块含损伤演化的非线性载荷-响应曲线,再区分出损伤演化程度,将有利于改进地震预报,这可视为另一种广义的损伤演化和强度问题。     

单轴压缩条件下混凝土细观损伤演化机理的CT试验研究

混凝土是一种非均质的材料,在细观层次上将混凝土看作由骨料、砂浆和两者之间的界面组成的三相复合材料.本文在对混凝土进行单轴压缩试验的基础上,根据CT扫描图像反映的细观破损过程,分析了基于CT数平均值变化规律的特点;将混凝土材料的损伤过程进行了分段,提出了损伤变量的提取方法.随后结合试验得到的宏观应力应变曲线,经过拟合得到...     

Critical defect size distributions in concrete structures detected by the acoustic emission technique

Extensive research and studies on concrete fracture and failure have shown that concrete should be viewed as a quasi-brittle material having a size-dependent behavior. Numerous experimental techniques have been employed to evaluate fracture processes, and a number of modeling approaches have been developed to predict fracture behavior. A non-destructive method based on the Acoustic Emission (AE) technique has proved to be highly effective, especially to assess and measure the damage phenomena taking place inside a structure subjected to mechanical loading. In this paper, comparing AE frequency-magnitude statistics in solids subjected to damage processes with defect size distributions for disordered materials, critical parameters defining instability conditions for monitored structures are found. In addition, an experimental investigation conducted on concrete and RC structures by means of the AE technique is described. Experimental results confirm the described theories.