不同纏繞角度纖維增強塑料材料的超聲波傳播特性仿真研究

沈英杰* 蔚道祥 楊宇清

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院）

0 引言

玻璃纖維增強復合材料具有很高的比強度和比剛度。而在比強度和比剛度相同的材料中，玻璃纖維增強復合材料具有密度小、抗疲勞等優良特性，在航空、船舶、國防、核能、石油化工和壓力容器等領域被廣泛應用[1-2],且逐漸取代了一些傳統的結構材料。玻璃纖維增強復合材料也存在一些缺點和問題[3]，纖維纏繞方式、制造工藝過程中穩定性和組分的多樣性都可能會使材料出現缺陷（如分層、弱粘接、纖維分布不均勻及夾雜等）[4-5]，影響纖維增強復合材料的斷裂韌性、延展性及疲勞壽命等。

目前玻璃纖維增強復合材料主要采用聲發射檢測，聲發射檢測是一種實時在線檢測方法[6]。由于檢測時在聲發射儀器需要中輸入檢測對象聲速，以便對缺陷進行準確定位，而玻璃纖維增強復合材料的聲速受纖維纏繞方式影響較大，故本文利用ABAQUS 有限元仿真軟件對0°/90°和-53°/53°兩種常見纏繞方式進行仿真，研究不同纏繞角度時超聲波在材料中的傳播特性。

1 0°/90°和-53°/53°兩種鋪層角度有限元模型

正弦調制信號是窄帶信號，可以防止頻散現象導致的波形畸變，避免快速計算結果不準確。故本文采用調制正弦信號模擬激勵源，將其加載在薄板的中心，激勵信號中心頻率為500 kHz，激勵信號如圖1 所示。

圖1 500°kHz的調制正弦信號

在仿真模型建立過程中，將纖維纏繞方式設置為0°/90°交替方式，每層厚度為0.5 mm，共12 層，研究對象是厚度為6 mm 的薄板，建立如圖2 所示的ABAQUS 纖維增強塑料復合材料仿真模型。將中心頻率為500 kHz 的調制正弦信號作為激勵源加載在薄板的中心，在距薄板中心100 mm 處選取4 個點作為信號采集點，以0°作為基準，順時針方向選取4 個信號采集點，分別為0°，45°，60°及90°。-53°/53°模型建立時，將鋪設角度設置為-53°/53°，其他試驗參數與0°/90°模型相同。為了體現纖維方向和非纖維方向材料中的聲速差別，將信號采集點方向分別設置為-53°，36°，53°及90°。

圖2 玻璃鋼復合材料模型

2 數值仿真結果分析

2.1 0°/90°模型仿真結果

纖維纏繞方式為0°/90°模型所得超聲波在各分析點（按順序分別為0°，45°，60°及90°方向）的接收時間-位移情況如圖3 所示。式中： ——聲速，m/s;

S——分析點和激勵點之間的距離，mm;

——激勵信號峰值所對應的時間點，s;

——分析點處歷程輸出的波形圖所對應的第一個極大值的時間點，s。

圖3 0°/90°模型中各個點接收時間-位移圖

根據式（1）可以計算出超聲波在各個方向上的傳播聲速，其中S=100 mm。

2.2 -53°/53°模型仿真結果

纖維纏繞方式為-53°/53°模型所得超聲波在各個分析點（按順序分別為-53°，36°，53°及90°方向）的接收時間-位移情況如圖4 所示。

圖4 -53°/53°模型中各個點接收時間-位移圖

（1）-53°方向

根據以上數值可以得出不同鋪設角度得到的模擬結果，如表1 所示。

表1 不同鋪設角度的模擬結果

從表1 可知，沿纖維方向的聲速明顯大于非纖維方向的聲速，對于纖維方向或者非纖維方向，0°/90°鋪層的復合材料中聲速比-53°/53°鋪層的聲速小。從表1 中的峰值可以看出，0°/90°的峰值比-53°/53°模型中更大，所以0°/90°材料對聲波的衰減程度更小。

3 結論

通過仿真研究可知沿著纖維方向的超聲波聲速高于非纖維方向的聲速，超聲波在0°/90°纏繞方式纖維增強塑料中的傳播速度比在-53°/53°纏繞方式纖維增強塑料聲速中更小。