纤维增强复合材料中多分层损伤的识别研究

本文基于纤维增强复合材料(FRP)层合板受冲击后可能在多个界面发生重叠分层损伤的工程背景,研究利用多层损伤发生前后的一系列模态频率变化值来预测FRP层合板中的多分层损伤。首先分别采用两种方法构建了含分层损伤的FRP层合板的有限元模型并验证了模型的准确性,其中,分层损伤被模拟为多层椭圆形态。然后,采用有限元模型生成了不同的多分层情况下对应的频率变化值,通过基于代理模型的遗传算法(SAGA)和支持向量机(SVM)两种逆向检测算法来识别多分层的界面、位置与大小。多分层损伤案例的验证结果表明,两种逆向检测算法SAGA和SVM均能利用损伤发生前后的频率变化值成功识别FRP层合板内的多分层损伤。     

纤维增强复合材料梁的分层损伤识别

通过损伤发生前后结构频率的变化来检测和评估纤维增强复合材料(FRP)层合梁中的分层损伤。利用FRP层合梁在分层发生前后的一系列频率变化值,通过构建直观图像法和人工神经网络两种逆向算法反推出梁中分层损伤的三个参数,即分层所在的界面、位置和尺寸。为检验两种算法的有效性和识别精度,分别进行了理论和实验双重验证。理论验证结果表明,两种逆向检测算法都可以有效预测出分层损伤的三个参数,其中直观图像法相比人工神经网络预测精度更高。而实验验证采用文献中报道的实测频率,结果表明:直观图像法对于测量数据误差有更高的包容性,可以较为准确地预测出分层在FRP梁试件中的位置和大小;而人工神经网络对于实验误差相对敏感,对FRP梁试件中的分层损伤预测不够准确。综上认为,相较于人工神经网络,直观图像法具有更好的鲁棒性,应被优先选择应用于FRP梁的分层损伤识别。     

基于比例柔度矩阵的复合材料梁损伤检测

利用比例柔度矩阵的LU分解构造新的损伤指标,并用于对复合材料固支梁进行分层损伤检测。首先使用有限元软件ANSYS Workbench构造出有损伤梁和无损伤梁的仿真模型,通过模态分析得到无损梁和损伤梁的固有频率和振型值,计算单位矩阵归一化后的振型,并以此构造比例柔度矩阵。通过对损伤前后比例柔度的差值矩阵进行LU分解,构造出新的损伤指标来检测复合材料梁的分层损伤。仿真算例表明在复合材料梁损伤的识别中,对于不同程度的单点、多点损伤,该损伤指标突变率都有较大的变化。对于不同位置的损伤,也有较好的识别效果,能准确描述脱层损伤发生的区域。该方法表明了比例柔度矩阵法能够应用于复合材料梁的分层损伤识别。     

基于模态声发射的碳纤维增强复合材料损伤机制识别

针对碳纤维增强复合材料(CFRP)损伤机制复杂、损伤声发射信号识别困难的问题,本文提出了一种基于模态分离方法的CFRP损伤信号识别分类算法,可实现CFRP损伤声发射信号的模态表征。首先,基于CFRP层合板模拟声源模态分析结果设计不同范围的数字滤波器,实现了声发射信号中的S_0、A_0模态分离;随后,根据纤维断裂和基体开裂单一损伤信号的模态特征,建立了损伤信号的识别分类算法,并验证了其对单一损伤信号的分辨率;最后,利用算法对层合板面内弯曲损伤信号进行分析,验证其在CFRP完整结构损伤信号识别中的有效性。结果表明,该算法在纤维断裂和基体开裂试验中的分辨率分别高达97.3%和92%,同时也实现了CFRP层合板的损伤过程表征,证明其可实现CFRP完整结构损伤机制的识别。     

基于电阻响应的CFRP加固结构的无损检测

提出一种利用加固材料自身的功能特性实施碳纤维增强塑料(CFRP)加固结构分层检测的方法,并针对该方法开展了虚拟仿真实验。基于含预制分层损伤的CFRP加固钢梁有限元模型,采用APDL命令流计算并提取了集中力作用下具有不同分层位置和不同分层长度的CFRP加固梁的电位响应,由此建立了碳纤维加固梁损伤响应样本库,通过BP神经网络技术对损伤位置和尺寸进行识别。采用16电极的虚拟仿真实验验证了该方法对分层检测的有效性。     

基于模态应变能与频率融合方法的功能梯度欧拉伯努利梁损伤识别研究

针对功能梯度欧拉伯努利梁,本文提出了融合结构模态应变能和自振频率的损伤识别新方法。首先通过有限元方法计算得出功能梯度欧拉伯努利梁的自振频率和振型模态参数,然后基于单元模态应变能融合了自振频率,构造了模态频率应变能的计算公式。通过计算出梁结构损伤前后单元模态频率应变能的变化,定义了单元的损伤识别指标。数值算例表明,功能梯度欧拉伯努利梁的损伤识别新方法能够把梁结构存在的损伤单元有效地识别出。从损伤识别结果可以看出该新方法具有较好的抗噪声性能。     

基于光纤布拉格光栅的复合材料振动性能研究与损伤监测

采用光纤布拉格光栅(FBG)对碳纤维增强复合材料(CFRP)的振动性能和损伤类型进行研究。采用落球击打碳纤维增强复合材料悬臂梁自由端,使复合材料悬臂梁产生谐振。通过测量复合材料悬臂梁的谐振频率,计算其阻尼损耗因子,得到无损伤碳纤维复合材料的振动性能。在此基础上,对碳纤维增强复合材料人为引入损伤,利用FBG测量其损伤状态下的谐振频率,依据谐振频率分析判断损伤类型。研究结果可对碳纤维增强复合材料的振动性能研究和损伤监测提供参考。     

基于光纤光栅的碳纤维复合材料高温振动性能的研究

采用光纤布拉格光栅(FBG)作为动应变传感器,基于实验应变模态测试方法,研究了碳纤维复合材料(CFRP)板从室温(25℃)到190℃范围内的振动特性。运用有限元法分析了室温下CFRP悬臂梁的一、二阶振动频率和振型;采用脉冲锤敲击对CFRP悬臂梁在不同温度下进行了弯曲振动测试,并通过快速傅里叶变换(FFT)得到碳纤维板在每个温度下的一、二阶固有频率。结果表明:随着温度的升高,碳纤维复合材料板的一、二阶频率下降,表明其刚度下降,并较未加热之前发生了永久变化。     

基于模态柔度曲率改变率复材简支梁结构损伤识别研究

利用复合材料梁的模态柔度曲率改变率MFCI探讨复合材料无损检测方法,应用有限元软件ABAQUS模拟出有损和无损复合材料梁的固有频率和各节点振型位移值并计算出模态柔度曲率改变率值,进而检测出复合材料损伤位置。以检测含不同脱层损伤复合材料简支梁为算例,结果表明在检测复合材料简支梁时,无论是单点脱层损伤还是多点脱层损伤以及脱层损伤大小程度,该方法都能准确检测出含脱层损伤区域的位置,证明了模态柔度曲率改变率法对判断含层间损伤复合材料梁有显著效果。     

CFRP加固含初始裂纹的RC梁的抗爆性能研究

碳纤维复合材料(CFRP)加固建筑结构是一种新兴的加固技术。国内外鲜有CFRP加固含初始裂纹的结构构件(如RC梁)的抗爆性能的研究报道。基于大型非线性动力学分析软件LS-DYNA,从加固层数和加固宽度两方面对CFRP局部全包裹加固含初始裂纹RC梁(裂纹梁)的抗爆性能进行非线性有限元数值分析。研究表明,采用CFRP对裂纹梁的裂纹处进行局部全包裹加固可提高裂纹梁的整体刚度,减小其在爆炸荷载作用下的损伤和变形程度。当CFRP的加固层数为4层、加固宽度为300mm时,可有效提高裂纹梁的抗爆性能。该研究成果对建筑结构抗爆设计和抗爆加固研究具有一定的指导意义。