CFRP复合材料二维RVM分级优化与孔隙三维形貌重建

摘要

超声衰减法是目前碳纤维增强复合材料(CFRP，Carbon Fibre Reinforced Plastics)孔隙率无损检测最为常用的方法，已有众多国内外学者针对孔隙的超声散射衰减问题建立了模型，而模型能否对孔隙形貌和分布进行合理地描述是建模的关键，大多数模型都基于弹性各向同性介质理论，假设孔隙形状规则且均匀分布，理论预测与实验结果只在特定频率下符合较好。本课题组根据随机介质理论和统计学原理，将CFRP基体视为具有平均特性的背景介质，将孔隙视为这种背景介质上的微小随机扰动，利用平稳随机过程以及自相关长度、粗糙度因子、扰动标准差等参数加以描述，建立了二维随机孔隙模型(RVM，Random Void Model)，与以往模型相比，孔隙形貌模拟结果及超声衰减理论预测结果都比较好，但是目前该模型还存在一些不足:①用该方法针对孔隙尺寸离散度大的样品建立二维RVM时，无法同时兼顾大孔和小孔，会造成大孔信息的丢失;②目前的RVM是二维的，而真实材料是三维的，导致理论结果与实验结果之间存在较大偏差。本文主要包括两方面的内容:CFRP复合材料二维RVM优化和孔隙三维形貌重建。
　　针对孔隙率P=4.08％、孔隙长度L变化范围5～217um、尺寸离散度大的样品，将孔隙分为两级，L＜50μm的孔隙定为1级，L≥50μm的孔隙定为2级，对各级别孔隙分别建模并叠加，得到样品的随机孔隙模型。建模结果中较大的孔隙和大量微小孔隙都得到了体现，孔隙的尺寸分布与真实情况更为接近。分级建模结果可以更好地对孔隙形貌进行描述，扩大了二维RVM的适用范围。
　　针对单向CFRP层压板，借助超声C扫描选出衰减系数变化范围2.49～4.42dB·mm-1、孔隙率变化范围0.88％～3.04％的5个区域，使用金相法对每个区域获得各102层连续切片，，基于连续切片对孔隙的三维形貌进行了重建。观察重建结果发现，孔隙沿着纤维方向的尺寸较大，呈根须状，主要分布在纤维铺层层间界面上，形貌较为复杂，存在分叉现象。其中2号和10号区域的孔隙呈弥散状在区域内大范围分布，这种分布特征会增强超声散射衰减效果。三维随机孔隙建模结果中的孔隙形貌特征与孔隙三维重建结果之间相似性较好。对孔隙形貌进行三维重建能清楚、明了地把握孔隙的真实形貌特征，对指导模型的建立有重要意义,为澄清孔隙对超声波的散射机理以及模拟计算提供了模型基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 孔隙对碳纤维增强复合材料性能的影响

1．2 孔隙率超声衰减法检测模型的发展

1．2．1 Martin模型

1．2．2 孔隙尺寸分布模型

1．2．3 球形／圆盘状孔隙模型

1．2．4 椭圆柱状孔隙模型

1．2．5 随机孔隙模型

1．3 三维重建简介

1．3．1 三维重建的概念及对材料科学的意义

1．3．2 三维重建方法概述和现状

1．3．3 三维重建在材料科学中的应用

1．4 论文主要内容

2 实验方法

2．1 研究区域选择

2．1．1 超声C扫描初选

2．1．2 超声衰减系数测量原理

2．1．3 声速和密度的测量

2．1．4 衰减系数测量结果及区域选择

2．2 连续切片的获取

2．3 孔隙率测定

3 二维随机孔隙模型分级优化

3．1 随机孔隙模型的建立

3．1．1 二维随机介质

3．1．2 二维随机孔隙模型

3．1．3 二维RVM建立参数

3．2 传统随机孔隙建模存在的问题

3．3 孔隙分级优化建模

3．4 本章小结

4 孔隙形貌的三维重建

4．1 连续切片的预处理

4．2 孔隙三维形貌表面重建过程

4．3 结果与分析

4．3．1 三维重建结果与分析

4．3．2 孔隙形貌与分布对超声衰减的影响

4．3．3 三维随机孔隙模型与重建结果比较

4．4 本章小结

结论

参考文献

附录A 各区域的孔隙三维形貌重建结果

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢