【摘 要】
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复合材料具有高比强度和比模量、减振性能好以及耐腐蚀性能好等优点,广泛应用在航空航天、船舶和汽车工业等领域。但复合材料在制备、加工、装配和服役过程中,都会因孔隙、分层、裂纹等缺陷的存在而产生一定的残余应力。这既会影响构件的使用性能,又对材料的结构失效强度和尺寸稳定性有影响。因此,开展关于残余应力的研究,精确且快速地检测出材料所处的应力状态,对于准确评估材料寿命显得至关重要。通常为避免复合材料因拉-剪
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复合材料具有高比强度和比模量、减振性能好以及耐腐蚀性能好等优点,广泛应用在航空航天、船舶和汽车工业等领域。但复合材料在制备、加工、装配和服役过程中,都会因孔隙、分层、裂纹等缺陷的存在而产生一定的残余应力。这既会影响构件的使用性能,又对材料的结构失效强度和尺寸稳定性有影响。因此,开展关于残余应力的研究,精确且快速地检测出材料所处的应力状态,对于准确评估材料寿命显得至关重要。通常为避免复合材料因拉-剪、拉-弯耦合引起的固化后的翘曲变形,将复合材料层合板设计成准各向同性层合板。并在准各向同性复合材料的分析中常将其视为各向同性化处理。目前国际上比较认可的残余应力检测手段是X射线衍射法,它具有无损、测试快捷、精度高和数据重复性强等优点。但它只适用于晶体材料的应力检测,对复合材料这种非晶体材料而言,较难实现应力检测。因此,为精确地检测出复合材料所处的应力状态,首先从理论上推导出适用于准各向同性复合材料的声弹性表达式,并选用6061-T6铝合金作为实验研究对象,分别采用X射线衍射法和本文理论推导的超声波法对其进行应力检测,以验证该理论推导的正确性。主要研究工作包括以下几个方面:(1)基于声弹性理论,推导了适用于准各向同性复合材料的声弹性表达式,建立声时差与内部应力之间的联系。同时,搭建了“一发一收”探头分布方式的超声波应力检测系统,并设计了超声检测楔块和声时差精确测量算法。(2)超声波法检测精度影响因素的研究选用不同频率的探头对不同凹槽深度的铝合金板材进行超声检测,确定不同探头频率下的传播深度范围;探究温度与声时差之间的关系,并设计温度补偿算法;探究外加应力与声时差之间的关系,得到了平行加载方向的声时差随着外加应力的增加而增加,而垂直加载方向的声时差随着外加应力的增加而减小的结论。(3)X射线衍射法测量6061-T6铝合金残余应力检测参数优化实验表明当采用Cr靶材激发X射线,通过0.5×3mm尺寸的准直管照射到铝合金板材表面,并用Mid chord定峰方法对试样进行应力检测时,应力结果最优。(4)X射线衍射法对超声波法应力检测理论的实验验证分别利用本文搭建的超声波应力检测系统和L-XRD应力衍射仪对6061-T6铝合金板材进行残余应力检测,通过对比研究表明该理论推导的正确性。
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