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南昌航空大学硕士学位论文基于电阻法的碳/环氧复合材料自诊断研究姓名：李志鹏申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：王高潮20080610I摘要近年来，碳纤维/环氧复合材料在工程中的应用迅猛增长，主要是代替传统的金属材料，用于飞机制造、汽车制造、造船等领域，特别是在航空、舰艇、核能等领域尤其受到重用。然而，在复合材料结构件的使用过程中有可能由于疲劳、过载、冲击而导致材料受到破坏，甚至导致整个结构件的报废，造成重大安全事故。并且，复合材料在生产过程中工艺不稳定，缺陷无法完全避免和检查，在使用过程中受冲击或疲劳等载荷的作用下极易发生损伤直至破坏，因此对碳纤维增强型复合材料进行损伤检测和实时监测显得尤为重要。本论文主要针对航空用、由碳纤维布预浸料制成的复合材料，进行自诊断的基础研究。主要工作有：首先，探讨了电极连接方式所导致电阻测量变化的关系，详细分析了各个影响因素，提出利用其电阻变化率来监测试样的受力状况，并通过实验验证了监测效果。其次，文中还研究了复合材料在温度升高和降低过程中的电阻变化关系，并拟合得到了温度-电阻关系曲线方程。实验同时表明温升和温降过程中，电阻变化存在一定的差异。这些实验数据为诊断系统在宽温度范围内的适用性打下了基础。昀后，本文重点对复合材料在拉伸和弯曲条件下电阻变化与应力应变之间的关系进行了研究，实验数据显示，拉伸过程中，电阻变化呈升高趋势，并可分为三个阶段，相对应于材料的三种微观破坏程度。而弯曲试验中，试样在破坏前电阻变化不明显，只是在破坏瞬间电阻升高。文中还探讨了电阻变化与应变之间的数学关系。在此基础上，论文将BP神经网络应用于碳纤维复合材料的自诊断检测。选定了合适的检测思路，并利用MATLAB开发了自适应BP神经网络程序算法。该网络经过训练后，通过实验数据验证了其适用性。关键词：碳纤维，复合材料，电阻，自诊断，损伤判别，神经网络IIABSTRACTInrecentyears,moreandmorecarbonfiber/epoxyresincompositesareusedinmanufactureofplanes,automobiles,ships,etc.Theycanreplacemostconventionalmaterialssuchasmetalinmanyareas.Theyaretheparticularlyimportantinthoseareassuchasaerospace,navalshipandnuclearenergy.However,duringthelifeofcompositestructuretobeused,itmaybesufferingdamageandevenresultintheentirestructureofthescrappedduetofatigue,overloadingandtheimpact,whichcausingmajorsecurityincidents.Andwithintheproductionprocessofcompositematerials,therearemanyinstabefactors,defectscannotbetotallyavoidedandinspected.Soitcanbeeasilyinjurieduntilthedamageoccurredwhenthereareimpactorfatigueload.So,thedamagedetectionandreal-timemonitoringofcarbonfiberreinforcedcompositematerialisveryimportant.Thispapermainlygivesomefundamentresearchoftheself-monitoringwithcarbonfibre/epoxyresincomposites,whichweremadebyprepregandmainlyusedinaircraftmanufacturing.Themajorworkofthispaperas:Firstly,thispaperdiscussedtherelationshipbetweenelectrodeconnectionsmethodandthechangingofresistancemeasurement,givethedetailedanalysisoftheeffectionsofvariousfactors.Proposedthatusethechangingrateofitsresistancetodetecttheirforcestatus,andfinallyverifieditthroughexperimental.Secondly,thetextalsostudiedintheelectricresistancechangeduringthetemperatureriseanddrop,fittingthetemperature-resistivitycurveequation.Theexperimentalsoshowsthatbetweentemperature’sriseanddropprocess,theresistancechangeexistsomedifferences.Theseexperimentaldatalaythefoundationfortheself-diagnosissystemapplicationinthewidetemperaturerange.Finally,thispaperfocusonthecompositematerials’resistancechangingduringstrainingandbending.Theexperimentaldatashowsthatduringtheprocessofstraining,resistanceincreasedintrends,andmaybedividedintothreestages,correspondingtothethreemicroscopicdamagestateofmaterial.Duringthebendingtest,theresistanceinthesampledidnotchangesignificantlybeforethedestructionandonlyquicklyincreasedwhenthedestructionoccured.Thearticlealsodiscussedthemathematicsrelationsbetweenresistancechangesandstraining.Onthebasisofaboveexperiments,thispaperadoptsBPneuralnetworktobeusedasselfdiagnostictestsofcarbonfibercompositematerials.SelectedtheappropriateIIItestingideas,andhasbeendevelopedusingMATLABBPadaptiveneuralnetworkproceduresalgorithm.Aftertraining,theexperimentaldataprovedtheapplicabilityofthenetwork.Keywords:carbonfiber，compositematerials,resistance,self-diagnose,defectassessment,nervenetwork南昌航空大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是我个人在导师指导下，在南昌航空大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确地说明并表示了谢意。本声明的法律结果将完全由本人承担。签名：日期：南昌航空大学硕士学位论文使用授权书本论文的研究成果归南昌航空大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解南昌航空大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）签名：导师签名：日期：57南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论1第1章绪论1.1前言碳纤维/环氧树脂复合材料具有高比强度、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、导热和热膨胀系数小等一系列优异性能，它们既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用，是一种功能结构材料。因此，近年来，在航空航天领域，为了减轻飞行器结构质量，提高飞行器性能和降低燃油消耗，树脂基复合材料被大量用做主承力结构（如机体结构、机翼、旋翼等）和次承力结构，成为继铝、钢、钛之后的又一航空结构材料[1、2]。如国外自1980年的F-18军机开始,昀新研究的歼击机全部采用复合材料机翼，而且在机身上也大量采用先进复合材料，占结构重量的25%～50%。如第四代机中的F22复合材料占结构重量的25%，法国Rafale占40%，瑞典JAS39占30%，欧洲EF2000则大于40%，美国的杀手锏武器B2战略轰炸机占50%。民机上的复合材料用量也有大幅度提高。波音B777共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%；“梦想飞机”B787用复合材料将达50%；A380大型客机可容纳乘客500～650人，仅碳纤维复合材料用量就达32吨左右，加上其他各种复合材料，总用量在25%左右，开创了大型民机大量使用复合材料的先河。其他如支线客机和公务机上复合材料用量可达10%～20%，轻型飞机和通用航空飞机上可达70%～90%，直升机可达50%～80%,无人机达50%～80%。A380(A350)、B787、A400M三大机种上复合材料的大规模应用形成了复合材料在航空领域再度起飞的态势[3]。但是，碳纤维复合材料在制备过程中由于各种原因，如环境中的杂质、工艺实施不完善等因素造成昀终复合材料制品中存在不同类型的缺陷，通常有：孔隙、杂质、纤维卷曲、富脂或贫脂、分层、裂纹、疏松、纤维体积百分比超差、纤维/基体界面结合不好、铺层或纤维方向的误差、缺层、铺层搭接过多等。在复杂的使用环境中，多样的受力形式下这些缺陷往往成为应力集中点，发生诸如弱质纤维断裂、基体开裂、界面脱粘以及剪切破坏等多种损伤形式，首先诱发材料及其结构破坏的产生，引起复合材料性能下降[4、5]。因此，碳纤维复合材料的安全使用和在线健康监控成为热门的研究课题。南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论21.2智能碳纤维复合材料由于目前飞机和其它运载工具都在一定比例上使用了重量轻、强度高的复合材料，而复合材料在生产过程中其工艺具有不稳定性，内部也会存在缺陷，并且在承受冲击载荷后，材料表面可能是正常的，但其内部会存在脱层、纤维断裂等损伤现象。如果能够快速超前预报损伤的地点和程度，及时发现并给予处理，则复合材料将可以大范围地在航空航天等工业上使用。1.2.1智能化自诊断技术复合材料的破坏不同于金属材料，一旦出现裂纹很快扩展而导致破坏，而复合材料从材料基体疲劳极限开始至材料出现临界损伤之间有一较长的发展过程。在此过程中，裂纹是细微而缓慢发展的，用肉眼观察或液体渗漏的方法根本检测不出来。了解这一过程有助于确立材料的安全使用昀佳工作条件，并在线达到临界损伤前预示材料的安全性，这对于在重要场合使用的复合材料是迫切需要的。早期有许多学者研究了材料的损伤机制[6、7]和复合材料的疲劳-寿命模式以及疲劳损伤的强度模型[8]，