间隔机织物夹层复合板材弯曲性能及失效模式分析

来源 :河北科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Richard0936
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本课题以聚酯纤维长丝为增强体材料,设计加工了9种规格的间隔机织物,并在双织轴小样织机上进行了织造。采用适宜的加工参数,选取50kg/m~3、70kg/m~3、90kg/m~3、110kg/m~3和130kg/m~3五种聚氨酯(PU)泡沫密度对间隔机织物空腔进行泡沫填充,制备预制件。采用环氧树脂,通过手糊工艺对预制件进行树脂基体复合,制备间隔机织物增强的夹层复合板材。对间隔机织物夹层复合板材进行扫描电镜(SEM)观察,探究接结纱间隔、高度以及泡沫密度对复合板材中泡沫形态的影响。研究表明,接结纱高度对泡沫发泡没有影响;接结纱间隔影响单元细胞的数量;泡沫密度的增加,使得单元细胞壁增厚,并且减小了单元细胞尺寸。对所加工各规格板材进行三点弯曲力学性能测试,采用声发射(AE)设备实时监测试件的损伤演化行为。将采集的AE信号,通过肘部法则、轮廓系数和戴维森堡丁指数三种指标来评估间隔机织物夹层复合板材损伤模式的聚类簇,选取最优的聚类类别。通过K-means聚类,确定第一类聚类(Cluster1)为核心泡沫损伤,第二类聚类(Cluster2)为芯桩与核心泡沫的分离(简称芯桩分离)、界面分层,第三类聚类(Cluster3)为基体开裂。分别从泡沫密度、接结纱间隔和接结纱高度三个方面探究了间隔机织物夹层复合板材的弯曲力学性能。研究表明,随着泡沫密度的增加,间隔机织物夹层复合板材的承载能力和弯曲强度增强,并且泡沫密度为110kg/m~3的板材具有较优的承载能力和较高的弯曲强度增长率。随着接结纱高度的增加,板材的失效程度减小,接结纱结构对性能的影响越不显著,因此60mm高度的板材具有最优的承载能力。随着接结纱间隔的增加,核心泡沫的凝聚力增强,弯曲应力增大。因此接结纱间隔为20mm的板材比间隔为16mm和10mm的板材具有更高的弯曲应力。采用AE信号与力学性能的耦合和DIC应变云图,探究泡沫密度、接结纱间隔和接结纱高度对间隔机织物夹层复合板材弯曲性能及破坏模式的影响。首先选取接结纱间隔为10mm,接结纱高度为40mm的间隔机织物夹层复合板材,探讨不同泡沫密度对弯曲性能的影响。研究表明,随着泡沫密度的增加,弯曲性能增强的同时AE信号源数量增多,损坏率和失效程度增加。泡沫密度为110kg/m~3板材的累积能量和累积撞击数,具有最高的增长速率,提高了板材的损坏率和失效程度。但是从应变云图可知,泡沫密度为110kg/m~3的板材,泡沫之间表现为较好的联结作用,应力集中发生在加载位置,减小了板材的失效范围。分析接结纱间隔对弯曲性能的影响,表明较小的接结纱间隔,AE信号源发生数量越多,分离和分层现象越显著。研究表明接结纱高度为40mm,泡沫密度为110kg/m~3时,三种不同接结纱间隔板材的失效程度排序为10mm>20mm>16mm。从应变云图可知,接结纱间隔为10mm的板材具有更小的损失范围,且损伤应力集中,降低了板材大范围失效。分析接结纱高度对弯曲性能的影响,研究表明接结纱间隔为10mm,泡沫密度为110kg/m~3时,接结纱高度为60mm的板材的AE信号发生率小于20mm和40mm的板材,说明接结纱高度为60mm的板材,其失效程度最小。从应变云图可知,接结纱高度为20mm和40mm的板材具有较高的刚度,使得应力比较集中,出现加载位置的集中失效。而接结纱高度为60mm的板材在受到加载应力时压缩应变呈蝴蝶状扩散,具有较广的压缩应变。
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