复合材料螺栓连接损伤的超声红外检测技术毕业论文
2021-04-08 21:54:25
摘 要
随着复合材料应用领域的愈发广泛，“十三五”以来国家提出了大力发展复合材料的科技目标，碳纤维复合材料作为其典型代表，势必会具有广泛的应用前景。螺栓连接是机械连接中最常用的连接形式，因此有必要进一步开发更可靠、更高效的损伤识别技术来检测复合材料螺栓连接结构的损伤。
本文主要从理论研究、仿真模拟、试验检测三个方面进行研究。总结影响损伤生热特性的参数，针对该螺栓连接结构的独特之处应用ABAQUS软件分析螺栓预紧力、裂纹长度、激励振幅对于裂纹处生热特性的影响，并仿真该技术对于分层损伤的可行性，最后通过试验验证仿真结果的可靠性。研究结果表明：超声红外热成像技术可以很好的应用于复合材料螺栓连接结构的损伤识别。而且检测效果随裂纹长度和激励振幅的增加而愈发明显；一定范围内螺栓预紧力的增加导致损伤生热量减少。
关键词：复合材料；超声激励；红外热成像；螺栓连接；损伤识别
Abstract
With the increasing use of composite materials, our government has proposed the clearly goal of vigorously developing composite materials since the 13th Five-Year Plan. As a typical representative of carbon fiber composite materials, it is bound to have broad application prospects. Bolted joints are the most common form of connection in mechanical joints, so it is necessary to further establish a more reliable and efficient numerical analysis model to detect damage to composite bolted joint structures.
This paper mainly studies from three aspects: theoretical research, simulation and test. Summarize the parameters affecting the heat generation characteristics of the damage, and apply the ABAQUS software to analyze the influence of the bolt preload, the crack length and the excitation amplitude on the heat generation characteristics of the crack, and simulate the technique for the delamination damage. Feasibility, and finally verify the reliability of the simulation results through experiments. The results show that ultrasonic infrared thermal imaging technology can be applied to the damage identification of composite bolted structures. Moreover, the detection effect becomes more and more obvious with the increase of the crack length and the excitation amplitude; the increase of the bolt pre-tightening force within a certain range leads to the reduction of the heat generation of the damage.
Key Words：Composite material; Ultrasonic excitation; Infrared thermal imaging; Bolt connection; Damage identification
目录
摘 要 I
Abstract II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.1.1课题研究背景 1
1.1.2研究的意义 3
1.2复合材料螺栓连接损伤识别的研究现状 4
1.2.1超声红外热成像技术及图像处理 4
1.2.2超声激励作用下损伤生热机理 6
1.2.3复合材料螺栓连接实验的影响参数研究 7
1.3本文研究内容与创新 9
1.4本文的结构安排 10
第2章 损伤生热机理研究 13
2.1复合材料螺栓连接性能综述 13
2.1.1复合材料螺栓连接失效形式 13
2.2复合材料螺栓连接结构的损伤生热机理 14
2.2.1粘弹性生热 14
2.2.2摩擦生热 16
2.2.3塑性生热 18
2.2.4热量估计 18
2.3变幅杆与被测试件的碰撞模型 19
2.3.1非线性振动理论简介 19
2.3.2变幅杆与试件的振动碰撞模型 22
2.4超声波在复合材料中的传播 24
2.4.1各向异性复合材料弹性性能 24
2.4.2各向异性复合材料的超声波传播理论 25
2.4.3超声激励下裂纹处温度 27
2.5超声红外热成像检测原理 28
2.6章小结 29
第3章 损伤生热影响因素理论研究 30
3.1激励源 30
3.1.1激励源作用方式对损伤处生热的影响 30
3.1.2激励时间对损伤处生热的影响 31
3.1.3激励源强度对损伤处生热的影响 31
3.1.4激励位置对损伤处生热的影响 32
3.2变幅杆 34
3.2.1变幅杆与材料接触面积对损伤处生热的影响 34
3.2.2变幅杆预紧力对损伤处生热的影响 34
3.3裂纹 35
3.3.1裂纹的尺寸对损伤处生热的影响 35
3.3.2裂纹的方向对损伤处生热的影响 35
3.4声混沌对于损伤生热的影响 36
3.5章小结 36
第4章 损伤生热影响因素仿真研究 37
4.1仿真模型的建立 37
4.1.1模型几何尺寸 37
4.1.2仿真模型的材料性能参数 39
4.1.3模型构建过程 39
4.2各参量对螺栓处裂纹生热特性的影响 40
4.2.1有无螺栓时生热特性 40
4.2.2裂纹长度不同时的生热特性 41
4.2.3不同螺栓预紧力时的生热特性 41
4.2.4不同激励振幅时生热特性 42
4.3螺栓覆盖下分层损伤生热的识别 43
4.4章小结 44
第5章 损伤生热影响因素实验研究 45
5.1实验平台介绍 45
5.1.1超声激励系统 45
5.1.2红外热成像系统 46
5.2样品试件的制作 46
5.2.1裂纹损伤试件的制作 46
5.3参数的变化及检测结果 47
5.4实验结果对比分析 48
5.5章小结 48
第6章 总结与展望 49
6.1本文总结 49
6.2工作展望 49
致 谢 51
参考文献 52
第1章 绪论
1.1课题研究背景及意义
1.1.1课题研究背景
复合材料是由两种材料结合而形成的，其中一种材料作为基体、一种材料作为增强体。这样不仅克服了单一材料的劣势，而且最大程度的发挥了各种材料的优势，使得应用范围更加广阔。其中纤维增强材料的应用范围最广泛、投入使用量最大，其比重较小、而比强度和比模量较大，而且它的性能属于各向异性，当结构各部分强度要求不同时可对其进行纤维排列，以发挥材料的最大优势。
碳纤维增强复合材料由碳纤维和环氧树脂复合而成，它的比强度和比模量是钢和铝合金的数倍，碳纤维增强复合材料还具有优良的化学稳定性、耐热、耐疲劳、消声、电绝缘等性能。具有优异性能的复合材料，在拓宽其应用领域的同时逐步取代金属合金的应用，广泛应用于游艇汽车、石油运输、航空航天、建筑、健身器材等领域，在国家的大力扶持下，其发展速度飞快前景大好。
