不同缠绕角度纤维增强塑料材料的超声波传播特性仿真研究

沈英杰* 蔚道祥 杨宇清

（上海市特种设备监督检验技术研究院）

0 引言

玻璃纤维增强复合材料具有很高的比强度和比刚度。而在比强度和比刚度相同的材料中，玻璃纤维增强复合材料具有密度小、抗疲劳等优良特性，在航空、船舶、国防、核能、石油化工和压力容器等领域被广泛应用[1-2],且逐渐取代了一些传统的结构材料。玻璃纤维增强复合材料也存在一些缺点和问题[3]，纤维缠绕方式、制造工艺过程中稳定性和组分的多样性都可能会使材料出现缺陷（如分层、弱粘接、纤维分布不均匀及夹杂等）[4-5]，影响纤维增强复合材料的断裂韧性、延展性及疲劳寿命等。

目前玻璃纤维增强复合材料主要采用声发射检测，声发射检测是一种实时在线检测方法[6]。由于检测时在声发射仪器需要中输入检测对象声速，以便对缺陷进行准确定位，而玻璃纤维增强复合材料的声速受纤维缠绕方式影响较大，故本文利用ABAQUS 有限元仿真软件对0°/90°和-53°/53°两种常见缠绕方式进行仿真，研究不同缠绕角度时超声波在材料中的传播特性。

1 0°/90°和-53°/53°两种铺层角度有限元模型

正弦调制信号是窄带信号，可以防止频散现象导致的波形畸变，避免快速计算结果不准确。故本文采用调制正弦信号模拟激励源，将其加载在薄板的中心，激励信号中心频率为500 kHz，激励信号如图1 所示。

图1 500°kHz的调制正弦信号

在仿真模型建立过程中，将纤维缠绕方式设置为0°/90°交替方式，每层厚度为0.5 mm，共12 层，研究对象是厚度为6 mm 的薄板，建立如图2 所示的ABAQUS 纤维增强塑料复合材料仿真模型。将中心频率为500 kHz 的调制正弦信号作为激励源加载在薄板的中心，在距薄板中心100 mm 处选取4 个点作为信号采集点，以0°作为基准，顺时针方向选取4 个信号采集点，分别为0°，45°，60°及90°。-53°/53°模型建立时，将铺设角度设置为-53°/53°，其他试验参数与0°/90°模型相同。为了体现纤维方向和非纤维方向材料中的声速差别，将信号采集点方向分别设置为-53°，36°，53°及90°。

图2 玻璃钢复合材料模型

2 数值仿真结果分析

2.1 0°/90°模型仿真结果

纤维缠绕方式为0°/90°模型所得超声波在各分析点（按顺序分别为0°，45°，60°及90°方向）的接收时间-位移情况如图3 所示。式中： ——声速，m/s;

S——分析点和激励点之间的距离，mm;

——激励信号峰值所对应的时间点，s;

——分析点处历程输出的波形图所对应的第一个极大值的时间点，s。

图3 0°/90°模型中各个点接收时间-位移图

根据式（1）可以计算出超声波在各个方向上的传播声速，其中S=100 mm。

2.2 -53°/53°模型仿真结果

纤维缠绕方式为-53°/53°模型所得超声波在各个分析点（按顺序分别为-53°，36°，53°及90°方向）的接收时间-位移情况如图4 所示。

图4 -53°/53°模型中各个点接收时间-位移图

（1）-53°方向

根据以上数值可以得出不同铺设角度得到的模拟结果，如表1 所示。

表1 不同铺设角度的模拟结果

从表1 可知，沿纤维方向的声速明显大于非纤维方向的声速，对于纤维方向或者非纤维方向，0°/90°铺层的复合材料中声速比-53°/53°铺层的声速小。从表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°材料对声波的衰减程度更小。

3 结论

通过仿真研究可知沿着纤维方向的超声波声速高于非纤维方向的声速，超声波在0°/90°缠绕方式纤维增强塑料中的传播速度比在-53°/53°缠绕方式纤维增强塑料声速中更小。