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WSRS動(dòng)態(tài)損傷及彎曲響應研究

1.研究背景

WSRS-編織間隔結構增強夾層復合材料,因具有吸能、輕質(zhì)、高分層阻力特征,在航空、交通運輸、建筑領(lǐng)域的減震器上有廣泛應用。

WSRS夾層結構復雜,對其在力學(xué)載荷下經(jīng)向(WSRS-WA)、緯向(WSRS-WE)的承載能力、失效過(guò)程表征缺乏有效方法。

2.研究概述

河北科大紡織服裝技術(shù)創(chuàng )新中心研究人員利用聲發(fā)射(AE)技術(shù)捕獲不同高度規格的WSRS(詳見(jiàn)3.1)力學(xué)加載下?lián)p傷釋放的應變能,再利用數字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)實(shí)時(shí)觀(guān)察其受損區域的破壞模式以及表層、芯樁和泡沫材料的協(xié)同效應圖像,分析力學(xué)性能、AE信號參數和應變曲線(xiàn)圖,研究驗證彎曲加載過(guò)程中的破壞機制。

3.研究材料與設備

QQ截圖20240712111403.jpg

圖1 WSRS材料 AE設備 DIC設備

3.1 制備六個(gè)不同規格、機械性能的WSRS,用作實(shí)驗標準試件。

QQ截圖20240712114356.jpg

3.2 聲發(fā)射(AE)探測設備,規格40dB放大器,兩個(gè)RS-2A傳感器,捕獲六個(gè)AE信號,進(jìn)行損傷分析,確定WSRS失效機理。

3.3 數字圖像相關(guān)(DIC)應變場(chǎng)測量設備,捕捉試件WA,WE方向上的全場(chǎng)應變,還原WSRS動(dòng)態(tài)損傷過(guò)程,研究彎曲響應機理。

3.4 萬(wàn)能材料強度機,對WSRS進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測試,試驗標準參照ISO 1209-1-2007(E)。

3.5 掃描電鏡,分析WSRS最終失效情況,驗證AE信號分析和數字圖像相關(guān)(DIC)應變分析結論。

4 數字圖像相關(guān)(DIC)研究驗證部分

選中六個(gè)WSRS的中間區域(見(jiàn)圖2)進(jìn)行DIC分析,獲得芯層和泡沫之間的局部應變變化,利用拉格朗日微應變實(shí)時(shí)監測WSRS,比較六個(gè)WSRS的平均微應變隨時(shí)間變化趨勢(見(jiàn)圖3)。

對比發(fā)現,WSRS-2和WSRS-4應變軌跡相同,表明壓縮應變大于拉伸應變,但微應變較WSRS-4更突然,表明WSRS-2產(chǎn)生更多的剪切破壞。WSRS-6的破壞機制并不明顯,加載狀態(tài)穩定,平均微應變呈線(xiàn)性變化,WSRS-6-WA經(jīng)向和WSRS-6-WE緯向應變趨勢不同,經(jīng)向WA平均微應變表現同WSRS-4的壓縮應變。緯向表現出明顯的拉伸應變。

QQ截圖20240712111820.jpg

                                                  圖2 WSRS應變面積                                              圖3 WSRS平均微應變值

為進(jìn)一步觀(guān)察6個(gè)WSRS加載過(guò)程中的應變趨勢,以20秒為節點(diǎn),選擇應變圖表征6個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的失效模式。藍色區域表示壓縮應變,紅色區域表示微應變值實(shí)時(shí)變化引起的拉伸應變。圖4、圖5顯示,芯層作為主要失效體,泡沫壓縮過(guò)程中出現缺失。

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圖4 WSRS-WA 經(jīng)向應變圖

根據WSRS-WA(圖4),核心層壓縮導致上層移動(dòng)時(shí),主要受拉伸應變影響。隨著(zhù)高度增加,應變曲線(xiàn)圖呈現不同趨勢。60秒內,WSRS-2-WA核心層不足以承受應力,使得壓縮應變轉移至下層,然后導致壓縮應變穿透整個(gè)芯層。120秒后,WSRS-2-WA出現內層破壞,芯層出現界面分層現象。WSRS-4-WA在80秒時(shí)出現壓縮應變,并呈蝴蝶狀擴散。

WSRS-6-WA在100秒才顯示壓縮應變,表明受高度因素影響,下層受到拉伸效應較弱,延緩壓縮應變傳遞。圖5顯示,WSRS-2-WE、WSRS-4-WE與WSRS-2-WA、WSRS-4-WA應變趨勢相同,但時(shí)間均早于后者,WSRS-2-WE于40秒,WSRS-4-WE于80秒出現壓縮應變,表明WSRS-WE整體破壞早于WSRS-WA。80秒后,上層集中破碎,下層拉伸,在應變圖中出現缺失。同時(shí),WSRS-6-WE也出現芯樁分離現象(圖5)。

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圖5 WSRS-WE 緯向應變圖

與WSRS-2、WSRS-4和WSRS-6-WA不同,WSRS-6-WE兩側都有拉伸應變,這是由于泡沫材料的聯(lián)動(dòng)作用和芯樁的傳遞效應,增加抗彎強度。

5.研究結論

結合聲發(fā)射 (AE) 技術(shù)和數字圖像相關(guān) (DIC) 方法揭示了編織間隔結構增強夾層復合材料 (WSRS) 的動(dòng)態(tài)損傷過(guò)程和彎曲響應。

結果表明,WSRS-WE的整體壓縮應變早于WSRS-WA,失效區域也更為突出,說(shuō)明WSRS-WE中芯樁結構的協(xié)同效應優(yōu)于WSRS-WA。當受到彎曲應力時(shí),WSRS 在緯向的承載能力高于經(jīng)向,表現出更好的完整性和承載能力。文章摘自《Combining acoustic emission and digital image correlation analysis fordynamic damage response of woven spacer structure reinforced sandwich composites

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