（计算机应用技术专业论文）基于声发射的三维编织复合材料承载分析研究.pdf

_ _ - _ _ - 学位论文的主要创新点 1 采用无损、动态声发射检测技术探索碳纤维三维编织复合材料 在拉伸、压缩、弯曲三种情况下的材料不同损伤模式和损伤特征。 2 将小波变换降噪后的波形和特征参数作为人工神经网络的输 入，利用人工神经网络定量分析三维编织复合材料承载力和声发射信 号之间对应关系，最终确立三维编织复合材料各损伤模型下的承载性 能。 料的应用设计和编织工艺改进具有重要的理论和现实意义。声发射技术是一种新 型的、动态的无损检测技术，主要用于研究复合材料破坏机制、动态监视材料在 变形过程和失效过程中的损伤积累程度。 本文利用声发射技术原理，检测三维编织复合材料在拉伸、压缩和弯曲试验 方法下的声发射信号，利用小波变换理论对声发射信号进行降噪处理，将过滤后 的波形或波形特征参数作为样本输入到人工神经网络，经过神经网络的训练，达 到自动识别三维编织复合材料承载和损伤模型之间对应关系的目的。 本文总体分为四部分：第一部分绪论，介绍了三维编织复合材料和声发射技 术相关概念、国内外发展现状及其应用，并阐述了本文的研究目标和所要解决的 问题；第二部分重点讲述了声发射技术原理，声发射源，声发射信号特征、产生 与传播及声发射信号分析方法；第三部分介绍了两种声发射信号分析方法：小波 分析和人工神经网络，介绍了二者相关概念、理论基础和在本文中所需算法的推 理过程；最后介绍了声发射系统设计、试件的承载试验( 利用小波理论分析拉压 弯方式下的信号) 、试件样本信号的人工网络学习和对承载与损伤模式的自动识 别，通过试验得出结论：小波分析具有很好的去噪功能；三维编织复合材料的承 载性能与其编织角、受力的方式和材料损伤的模式有关。 关键字：三维编织复合材料小波分析人工神经网络承载损伤模式 a b s r i r a c i t h r e e d i m e n s i o n a lb r a i d e dc o m p o s i t em a t e r i a lh a ss u p e r i o rp e r f o r m a n c e ，a n di s w i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，e g a e r o s p a c e ，a v i a t i o n , t r a n s p o r t a t i o n , a u t oa n ds oo n t h a t r e s e a r c h i n go nt h ei n t e r n a lc h a r a c t e r i s t i cs t a t e , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s c o p i c d e f o r m a t i o no fi th a sa ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e f o ri t s a p p l i c a t i o nd e s i g na n di m p r o v i n go fw e a v i n gp r o c e s s a e ( s h o r tf o ra c o u s t i ce m i s s i o n ) t e c h n i q u ei san e wd y n a m i cn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g y , a n dm a i n l yu s e df o r s t u d y i n go nf a i l u r e me c h a n i s mo fc o m p o s i t em a t e r i a l s ，d y n a m i c a l l ym o n i t o r i n gt h e a c c u m u l a t i o nl e v e lo fm a t e r i a ld a m a g ed u r i n gt h ed e f o r r n a t i o n pr o c e s sa n df a i l u r e p r o c e s s t h i st h e s i sw i l la p p l yt h ea et e c h n i q u ep r i n c i p l et od e t e c tt h ea e s i g n a l so f fh e t h r e e - d i m e n s i o n a lb r a i d e dc o m p o s i t e su n d e rt e n s i o n , c o m p r e s s i o na n db e n d i n gt e s t m o d ea n d a p p l yw a v e l e tt r a n s f o r mt h e o r y t or e d u c et h ea es i g n a ln o i s e t h cf i l t e r e da e w a v e f o r mo rw a v e f o r mp a r a m e t e r sw i l lb et r e a t e d 舔as a m p l et oh e m p u tt o a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) ，a f t e rt h et r a i n i n g ，an n w i l la u t o m a t i c a l l yi d e n t i f yt h e l o a db e a r i n go ft h r e e - d i m e n s i o n a lb r a i d e dc o m p o s i t em a t e r i a l sa n di t sc o r r e s p o n d i n g d a m a g em o d e l t h i st h e s i si sd i v i d e di n t of o u rp a r t s ：t h ef i r s tp a r td e s c r i b e sr e l a t e dc o n c e p t s ，t h e d e v e l o p m e n t s t a t u sb o t ha th o m ea n da b r o a da n dt h e a p p l i c a t i o n o ft h e t h r e e d i m e n s i o n a lb r a i d e dc o m p o s i t em a t e r i a l sa n da et e c h n o l o g y , a f t e r th i si ta l s o d e s c r i b e st h eo b j e c t i v e so ft h i sr e s e a r c ha n dt h ei s s u e st ob ea d d r e s s e d ；t h es e c o n dp a r t m a i n l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fa et e c h n i q u e ，a es o u r c e ，a es i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s , t h ep r o d u c t i o na n dt h ep r o p a g a t i o no fa es i g n a la n di t sa n a l y s i sm e t h o d s ；t h et h i r d s e c t i o ne l a b o r a t e st w oa es i g n a la n a l y s i sm e t h o d s ：w a v e l e tt r a n s f o r ma n da n n 。 p r i m a r i l yo nt h ec o n c e p t s , t h e o r e t i c a lb a s i sa n dd e d u c t i v ea l g o r i t h m s ；f i n a l l y , p r e s e n t s t h ed e s i g no fa es y s t e m , l o a db e a r i n g ex p e r i m e n t ( b a s e do na n a l y s e ds i g n a lu s i n g w a v e l e tt r a n s f o r ma n dt e n s i o n , c o m p r e s s i o na n db e n d i n g ) t h es p e c i m e n sa n n s t u d y a n dd a m a g el o a dm o d er e c o g n i t i o n b yt h ee x p e r i m e n t ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tw a v e l e t a n a l y s i s r e d u c e st h es i g n a ln o i s e l a r g e l y a n dt h el o a d b e a r i n gp e r f o r m a n c eo f t h r e e - d i m e n s i o n a lb r a i d e dc o m p o s i t ei sr e l a t e dw i t ht h eb r a i d i n ga n g l e ，t h el o a df o r c e m o d ea n dt h ep a t t e r n so fm a t e r i a lf a i l u r e k 盯w o r d s ：t h r e e - d i m e n s i o n a lb r a i d e dc o m p o s i t em a t e r i a la ea n n l o a df a i l u r e 目录 第一章绪论l 1 1 课题研究背景。l 1 2 课题研究内容1 1 2 1 三维编织复合材料特点1 1 2 2 三维编织复合材料的应用。2 1 2 3 声发射技术发展3 1 2 4 、声发射技术应用4 1 3 课题研究任务厶5 1 3 1 课题研究目标5 1 3 2 课题要解决的问题6 第二章声发射技术理论基础7 2 1 声发射概述7 2 2 声发射技术o 7 2 3 声发射信号的产生与传播9 2 3 1 声发射信号产生9 2 3 2 声发射信号传播l o 2 4 声发射信号特征1 1 2 4 1 时j 或性1 l 2 4 2 频域性1 2 2 4 3 费利西蒂性1 2 2 5 声发射信号分析1 2 2 5 1 参数分析法1 2 2 5 2 波形分析法1 2 第三章小波分析l5 3 1 小波分析15 3 1 1 小波分析概述1 5 3 1 2 傅里叶变换1 6 3 2 小波分析理论1 6 3 2 1 小波定义1 6 3 2 2 连续小波变换1 7 3 2 3 离散小波变换1 8 3 2 4 多分辨分析1 8 3 2 5m a l l a t 算法1 9 第四章人工神经网络2 5 4 1 人工神经网络简介2 5 4 2 神经网络基本功能和特点。2 6 4 3 神经网络的基本模型2 7 4 3 1 神经网络拓扑结构2 7 4 3 2 神经网络学习方法2 8 4 3 3 典型的神经网络模型2 9 4 4 神经网络的应用。3 0 4 5b p 神经网络算法和求解过程3 l 第五章声发射系统设计3 5 5 1 声发射系统总体设计3 5 5 2 声发射系统软件3 9 5 2 2s a e u 2 su s b 数字声发射系统。4 0 5 2 3m a t l a b 软件4 l 第六章实验分析4 3 6 1 实验前准备工作4 3 6 1 1 实验材料和仪器的准备4 3 6 1 2 三维编织复合材料声发射信号处理4 3 6 2 试件承载试验4 6 6 2 1 试件纵向拉伸承载试验分析4 6 6 2 2 试件纵向压缩承载试验分析4 8 6 2 3 试件弯曲承载试验分析4 8 6 2 4 试件横向拉伸、压缩承载测试分析4 9 6 3b p 神经网络5 0 6 3 1 参数选择标准和设置5l 6 3 2b p 神经网络训练。5 2 第七章展望与分析5 7 参考文献5 9 致 射6 5 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 三维编织复合材料是一种新兴的纺织复合材料，它融合了三维编织和复合材 料两种技术。三维编织复合材料除含有传统复合材料的优点外，还具有比强度高、 比模量高、优良的抗冲击性等性能，同时克服了复合材料易分层、开裂敏感、沿 厚度方向强度和刚度低、抗击性能差、损伤容限低等缺附，广泛应用于航天、航 空、交通、汽车等领域。 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，简写为a e ) 是材料局部因能量的快速释放而发 出瞬态弹性波的现象，也称为应力波发射【2 1 。利用精密仪器检测、分析声发射信号， 进而通过声发射信号判断声发射源的技术称为声发射技术，在不同材料中检测广 范围的微结构损伤，声发射是最适合的技术。相比超声、涡流、x 射线等常规无 损检测方法，声发射技术是一种新型的、动态的无损检测技术，主要用于研究复 合材料破坏机制和强度预测，监视材料在变形过程和失效过程中的损伤积累程度， 实现对失效机制和损伤源进一步分析等【3 5 j 。 复合材料的损伤形式，归纳起来可分为基体开裂、纤维断裂、脱粘、分层等 常见的形式，每种形式都会产生不同的声发射信号。2 0 世纪7 0 年代美国最先利用 声发射技术研究复合材料，8 0 年代对其研究在法、日、英等国得到继续发展，但 大部分工作都是在树脂基复合材料中进行的【6 羽，在三维编织复合材料方面还处于 初期研究段，主要是集中对三维编织复合材料弹性力学性能的研究。 国内外对三维编织复合材料的应用和对其性能研究虽然取得了一定进步，但 仍处于起步阶段。由于材料的细观构造复杂，在微结构形变方面研究的甚少。三 维编织复合材料的应用基础是其力学性能，可由于其为三维空间网状结构，难以 直接建立材料的整体力学模型。三维编织复合材料的优异性能及其编织方法与微 观结构具有密切关系。声发射技术日趋成熟，利用小波变换理论对三维编织复合 材料的声发射信号进行噪声处理，将过滤后的波形或波形特征参数作为样本输入 到人工神经网络，经过神经网络的训练，达到自动识别三维编织复合材料承载和 损伤模型之间对应关系的目的，对研究三维编织复合材料内部特征状况、评价材 料力学性能及微观变形具有实质性提高，对于该材料的应用设计和编织工艺改进 具有重要的理论和现实意义。 1 2 课题研究内容 1 2 1 三维编织复合材料特点 天津工业大学硕士学位论文 复合材料是由两种或两种以上具有显著不同物理或化学属性的组成材料组成 的具有新特性的材料，而组成材料在宏观上仍维持各自独立功能。组成材料分为 基体和增强两大类材料1 9 】。基体材料通过维系与增强材料的相对位置来支撑增强型 材料，增强型材料给予基体材料机械和物理属性来提高基体材料的性能。组成材 料在性能上优势互补，而复合材料具有基体材料和增强材料两种特性，因此使其 综合性能优于原组成材料，如世界两大客机公司法国的空客a 3 8 0 和美国的波音 7 8 7 ，二者构架用的复合材料的比例分别达到2 6 和4 9 。2 0 世纪8 0 年代研究者 利用纺织技术将纤维纱线或织物嵌入到复合材料中形成纺织复合材料。纺织复合 材料首先将纤维束按参照物的结构形状进行铺层或缠绕，然后利用纺织技术将纤 维束织造成所需形状，形成干态预成型结构件，最后以预成型件作为增强材料， 采用树脂加工工艺，进行浸胶固化而直接形成复合材料结构。纺织技术给复合材 料带来的工艺革命，使纺织复合材料更具有显著性能，主要应用在航天、航空等 领域，用于减轻运载火箭、宇宙飞船和航空器材主结构重量，降低成本的同时， 提高了主结构的损伤容限。 三维编织复合材料隶属纺织复合材料，是整合现代编织技术和复合材料技术 而研发出的新型复合材料。它采用三维整体编织技术织造成整体呈现网状结构的 纤维编织物，也称三维编织预制件增强复合材料。2 0 世纪六十年代后期，编制而 成的碳碳三维编织复合材料，就用于替代火箭发动机部件的高温金属合金。8 0 年代在二维编织技术基础上，发展了三维整体编织技术。三维编织预制件结构主 要为三维四向和三维五向。b r o w n 发明的四步法工艺和p o p p e r 等提出的两步法工 艺是三维整体编织技术领域的主流，这两种工艺又分方形编织和圆形编织两种形 式。与普通复合材料相比，三维编织复合材料除了具有复合材料的优点外，还具 有自己的特点：从理论上讲，只要编织方法和工艺得当，三维编织预制件的厚度 可以任意大小，并且沿厚度方向的增强纤维使得三维编织复合材料更具抗冲压性 能；采用三维编织技术可以直接编织成不同形状的异型整体件、织物；三维编织 预制件的纱线结构具有可设计性，既能保证所需形状，又能兼顾纤维密度【1 0 l ；采 用三维编织技术完全可以实现对高性能纤维的编织【l l 】。 1 2 2 三维编织复合材料的应用 三维编织复合材料克服传统“层板 复合材料易分层、开裂敏感、损伤扩展 快和抗冲击性能差的缺陷，具有显著的性能优势，使其在航空、航天、交通、工 业等领域得到快速发展。其质轻、刚度强的性能突破了航空航天的瓶颈，经过生 产实践和测试，常应用于飞机的发动机、雷达、舱门，火箭喷管、接合件，空间 飞行器的整体构架、舱门，导弹的头锥和弹体。 2 第一章绪论 在交通方面，三维编织复合材料的易成型性、抗震性和耐腐蚀性在汽车、火 车、轮船上都能得到完美体现。利用纺织复合材料制造的火车车身，由于其刚度 强，使其在高速驰骋下仍然保持不变形，是制造高速列车的理想材料；制造的船 舶不仅成本低廉、具有吸震、耐海水腐蚀和抗冲击性，而且节省燃料，减少对海 洋环境的污染。 在工业等方面，厂房、机械设备、体育专业设施、医疗器械( 人造血管，假 肢) 都可以采用三维编织复合材料，在保证质量和性能前提下，降低成本，节约 资源。 鉴于三维编织复合材料的应用领域之广，三维编织物的制作离不开高度机械 化的三维编织机，各国相继开展对三维编织复合材料和编织机的研究和实验。美 国航空航天局的先进复合材料技术( a c t ) 计划，投资l 亿多美元来开发三维编 织技术，意在将编织复合材料应用到民航飞机上【1 2 - t 3 1 ；德国l i b a 公司研制的多轴 向缝编机可平行铺放6 层或以上的纱线，这些纱线由缝编纱捆绑在一起，形成具 有一定厚度的织物【1 4 】；日本t s u z u k i 公司研制的一种角轮式三维编织机，携纱器由 角轮传动，角轮的运动由计算机控制，具有较高的编织速度，可连续织造截面为t 形、i 形、矩形，实体圆形及半圆型的制件【1 4 1 。在国内，1 9 9 2 年成立的中华复合 材料制品有限公司，自主研发制造出我国第一台二维三轴线编织机( 拥有1 4 4 头 线轴) ，该编织机的研制成功填补我国在该研究领域的空白。1 9 9 3 年，吴德龙和郝 兆平【1 5 1 发表了五向编织结构复合材料的分析模型，研究了编织复合材料的弹性 模量、塑性结构关系，着重探讨了影响力学性能的因素。天津工业大学率先对三 维编织技术进行研究，并取得了一定的成果，2 0 0 7 年该校复合材料所所长李嘉禄 教授参与研发的我国首颗探月卫星“嫦娥一号 的空间桁架结构，就是采用三维 编织复合材料进行设计的。 随着对纺织复合材料研究的深入，其应用范围还会进一步扩大，而纺织复合 材料的普遍应用，将从根本上改变人们对材料的传统观念。同时由于细观结构的 复杂化又给设计和分析增添了更多的困难。迄今虽然经过许多研究者的努力，已 经发展了各种分析模型，能解决一些应用问题，但还远没有成熟，还需要经过比 较、积累和进一步发展，以形成完善而统一的分析、设计方法和相应的标准，才 能使纺织结构复合材料得到更广泛的应用l l 引。 1 2 3 声发射技术发展 声发射是一种常见的物理现象，常用于设备或材料的动态无损检测。2 0 世纪 5 0 年代德国人k a i s e r t l 7 】对声发射进行研究，在金属材料铝、铅、锡、黄铜、铸铁 等变形中发现声发射现象，并首次发现声发射的不可逆效应，即材料在被重新加 3 天津工业大学硕士学位论文 载后，应力值达到上一次最大值不会产生声发射现象，也称为“k a i s e r 效应”，这 标志着声发射技术作为- - i - j 独立学科的开始。s c h o f i e l d 【1 8 1 和t a t r o 经过大量的声发 射实验发现，声发射是源自材料的内部。d u n e g a n 1 9 】将声发射的测试频率范围移到 超声频段，极大地排除了噪声干扰，同时首次将声发射应用到压力容器检测上。 他创建以自己名字命名的公司，开展了现代声发射仪器的研制。6 0 年代末s p a n n e r 和g r e e n 发起组织了声发射工作组( a e w g 2 0 1 ) ，统一声发射术语和实验技术，方 便研究者对声发射技术进行交流。在随后的几十年，伴随计算机和信号处理技术 的发展，声发射技术在理论方面研究的进一步加深，声发射仪器己从早期的模拟 声发射仪发展到至今具有全数字式集成数字信号处理芯片的声发射p c 卡。 我国对声发射研究起步较晚，始于7 0 年代，主要利用声发射来预测和量化材 料裂纹扩展的开裂点，8 0 年代国内试探将声发射技术运用于探测压力容器缺陷， 之后我国加大声发射研究的步伐，并像发达国家一样广泛将其应用于航空、航天、 交通、工业、体育事业等诸多领域，声发射技术进入广范围的应用阶段。 1 2 4 声发射技术应用 伴随声发射技术研究的深入，声发射技术的应用也越来越广泛： 1 在航空和工业等领域评估构件的完整性： 构件的完整性( 包括构件的性质、尺寸大小和所能承载的载荷) 直接决定了 构件的安全性能，所以对构件的完整性检测至关重要。声发射的动态无损、实时 连续检测的特点，使得其广泛运用于该领域。典型的案例是声发射最早应用于压 力容器检测。主要评估对象：航空航天领域的航空器外壳、托架，飞机机舱、机 翼、发动机构件；石油化工领域的石油管道、产品贮藏罐、海洋采油平台( 钢管 和水泥) ；电力工业的发电机组叶片、轴承、变压器和输电设备等大型构件。 2 大 利用声 能达到 件脱落 机械故 3 复 尖端领 成材料 学性能 第一章绪论 地位。如复合材料在制作成型的过程中，需要时时监测树脂基材料的熔融和凝固 状态，状态的不同会释放不同的声发射信号，即材料的状态和声发射信号存在某 种必然的联系，可以通过声发射技术检测制作过程，以控制其热固性和热塑性， 提高复合材料的工艺技术。科学家经过大量研究和试验发现复合材料在不同损伤 模型下的声发射信号特征，并总结归纳复合材料声发射源的几种常见模型。 4 三维编织复合材料方面的应用 相比传统复合材料，三维编织复合材料结构具有各向异性、多样化、受力状 态复杂性和不连续性，常规的检测手段很难对其受损模式和缺陷演变过程进行检 测，而声发射技术解决了这一难题，使三维编织复合材料的研究成为可能。通用 的试验方法为：对三维编织复合材料实施不同外力作用( 用于模拟其不同的损伤 模式) ，利用其声发射特征敏感性，采集其声发射信号的参数或者波形，运用各种 分析方法( 如小波分析定量识别，人工神经网络的定性识别) ，建立声发射信号特 征和损伤模型间对应关系，从而确定三维编织复合材料的损伤模型，对改善其力 学性能有至关重要的作用。 国内外学者在复合材料研究上已取得不少佳绩：g i o r d a n o 2 q 等研究了聚合物复 合材料损伤的声发射信号，详细描述声发射系统的配置，提出单纤维碎裂( s f f r ) 法来获取最佳的纤维断裂模型，通过偏振光观察和f f t 分析试件基体脱粘损伤的 声发射频谱；n e s v i j s k i 瞄】等利用声发射技术在短期和低循环载荷试验中成功预测了 复合材料的损伤模型；b a n e r j e e l 2 3 】在石墨复合材料中，应用半解析和波数积分计算 方法，利用声发射技术模拟复合材料弯血和伸展模式下的波形图，观察到在薄厚 板中低频率弯曲波形主导复合材料的分层运动；皇甫劭炜【2 4 】等利用声发射技术对 t 3 0 0 树脂基复合材料不同铺层角度层合板的静态拉伸进行研究，得出铺层角度决 定试件拉伸强度和不同铺层角度对应着不同声发射信号的结论；王健、金周庚1 2 副 以o 。和9 0 c e 复合材料试件为研究对象，加载方式选择三点弯曲和拉伸，运用 小波分析获取试件声发射信号和波谱图，并提取典型声发射信号特征量：声发射 事件数、幅度、频谱、能量，作为输入参数传递给人工神经网络，通过对神经网 络的训练，最终达到识别试件损伤模型的目的；徐磊1 2 6 等研究了复合材料( 玻璃 纤维环氧树脂) 的悬臂梁的振动性能，运用声发射技术，在悬臂梁振动模式下， 采集其声发射信号，进而对信号作f f t 变换和频谱分析，获得悬臂梁的主频率和 阻尼系数，对复合材料的振动损伤研究具有重要作用。 1 3 课题研究任务 1 3 1 课题研究目标 5 天津工业大学硕士学位论文 虽然声发射技术在复合材料的研究已得到广泛开展，对三维编织复合材料的 无损检测更是一种不可或缺的方法，但是声发射仪检测到各种声发射参数不能直 接反映三维编织复合材料承载力大小和损伤模型间的联系，需要通过某些方法建 立起二者之间的联系。 m c h a n 和m u l l i n 2 7 1 首先提出了特定损伤机制和它的声发射信号之间关联的可 能性，这为分析三维编织复合材料承载性能和声发射信号之间存在关联的可能性 提供了依据。在此基础上，本论文借助某些手段，在基体开裂和纤维断裂损伤模 型下，参考试件实验承载情况建立力学模型：单纤维弯曲、拉伸、压缩( 拉伸和 压缩包括纵向和横向两种方式) 三种测试方法，建立承载力与三维编织复合材料 损伤模式之间的对应关系，分析、判断三维编织复合材料承载力，为三维编织复 合材料的力学性能分析、改善材料制作工艺提供理论基础，对于复合材料的应用 具有重要的意义。 1 3 2 课题要解决的问题 因为用声发射仪检测到的各种声发射参数不能直观反映构件的损伤类型，也 就不能直接建立与承载性能之间的关系，为分析三维编织复合材料的承载能力， 需要解决以下问题： 1 试验样品( 碳纤维三维编织复合材料) 和器材的准备； 2 样品弯曲，横向、纵向拉伸，横向、纵向压缩的声发射试验； 3 三种损伤模式下样品的声发射信号获取、处理、分析； 4 基于声发射信号频谱图，研究碳纤维三维编织复合材料在不同承载力下的 声发射信号特征，获得相关信号数据，经过小波分析的噪声处理，人工神经网络 训练，分析碳纤维三维编织复合材料承载载荷，最终建立声发射三种损伤模型和 其承载能力的对应关系。 6 第二章声发射技术理论基础 第二章声发射技术理论基础 2 1 声发射概述 声发射是指材料中局域源或结构受外力或内力作用产生变形、断裂而进入不 可逆的塑性形变，以瞬时弹性波形式释放应变能量的物理现象。大多数材料在内 部结构受到破坏时都会产生声发射现象，并伴随能量的快速释放，传播瞬时弹性 波而使材料表面发生相对位移，从而导致材料结构的最终失效 2 1 。 材料中局部能量再分布是材料损坏前的征兆，它直接导致材料中的局部不稳 定，并最终产生声发射现象。因此可以将声发射作为无损检测中一种研究材料结 构损坏演化过程的技术。 2 2 声发射技术 由于大多数材料的声发射信号强度较弱，超过人耳所能听到的范围，要想探 测到声发射信号，需要借助精密仪器。材料结构失效与声发射源相关，通过探测 材料声发射信号进而推断声发射源的技术称为声发射技术【2 引。声发射技术是以声 发射现象为依据发展起来的，有着多方面的应用。其原理如图2 - l 所示，它涉及声 发射源、瞬时波的传达、声电信号转换、信号分析、数据记录和处理、声发射源 最终评定等概念。 a 图2 1声发射技术原理 在应力作用下，材料结构失效的两种重要机制是塑性变形和裂纹产生。声发 射源通常定义为与两种重要机制有关的源。图2 2 罗列了声发射源的分类。 声发射技术属于无损检测技术的一种，与传统的超声、涡流、x 射线等无损 检测技术相比，最大不同就是声发射技术通常应用在材料被加载期间，即材料的 损伤、缺陷处在不断运动演化中，而其它技术都是在材料加载之前或之后进行检 测。但声发射技术必须有载荷、电磁、温度等外部条件的作用，使材料内部结构 发生形变或断裂等变化，如晶体结构的变化、滑移变化、裂纹产生等，这样才能 引起材料内部能量快速释放，产生声发射现象。根据能量相互的方向性和条件性， 加之材料内部变形不可恢复性，推断出声发射的不可逆性，即凯瑟效应。所以声 7 天津工业大学硕士学位论文 发射技术是一种动态、不可逆的检测方法。 声 1 2 可确定 第二章声发射技术理论基础 3 适用于更复杂的环境( 高温、易燃易爆、有毒) 和几何外形奇异的材料构 件； 4 适用于检测处在活动、不断变化中的缺陷，并且在材料早期阶段的损伤。 声发射技术也存在一些缺点： 1 如果材料的缺陷处于静止状态，没有内部形变、裂纹等发生，就不能采用 声发射技术进行检测，即声发射技术是种“被动”无损检测技术； 2 对材料敏感性且易受外界噪声的干扰，需要进行大量可靠试验，积累丰富 的经验，再用其它检测方法加以验证，才能正确评估某种材料的缺陷模型： 3 声发射本身具有不可逆性，所以材料被加载期间，加载顺序和加载载荷大 小要严格控制，以免丢失重要的信号数据。 结合声发射技术的优缺点，声发射技术主要用于对声发射信号进行分析，通 过数据显示和处理，返回来确定声发射源的性质、位置和评估声发射源缺陷的严 重性，为材料的损伤模型和破坏机理提供理论参考。 2 3 声发射信号的产生与传播 2 3 1 声发射信号产生 声发射信号产生的两个重要因素：受外力或内力产生形变或裂纹和释放瞬时 弹性波。前面章节己讲到外力包括载荷、电磁场、温度、晶体点阵等条件，材料 的不同其受外力作用后的效果不同，导致材料局部不稳定而释放能量的大小也不 同，这是声发射源多样化的根源。常见的声发射源有固体的裂纹开裂，金属材料 的塑性形变、晶体位错移动，复合材料的基体开裂、纤维断裂、纤维拔出等【2 】。声 发射信号产生原理同波的产生原理类似，材料局部受力时，局域内的介质在各自 的平衡位置附近作往复运动，介质的振动伴随弹性波能量的传输，最终传到材料 表面被仪器检测到。声发射信频谱与材料释放瞬时能量的速度有关，而释放能量 的速度与材料的种类有关，即声发射源决定释放能量速度和声发射信号的频谱。 对于声发射源的研究在声发射的研究中具有极为重要的分量，它为声发射技 术用于无损检测提供了理论基础。材料在外力作用下会产生变形和断裂两种效果。 下面将针对本文研究的三维编织复合材料和常见的变形、断裂，介绍典型的声发 射源。 1 三维编织复合材料 复合材料由低强度的基体材料和高强度的增强材料通过交错铺层而形成的， 它各向异性的优点使得其受外力作用时，相比组分材料会产生更多声发射。采用 三维编织技术形成的复合材料，其表面呈网状架构并且在厚度方向有增强纤维， 9 天津工业大学硕士学位论文 在增加其强度和韧性的同时，也增强了其抗冲击性能。 三维编织复合材料声发射源大致包括：基体材料的开裂、增强纤维的断裂、 纤维和基体材料分离、纤维的拔出等。 2 金属和合金的塑性变形 物体受到外力或内力作用而产生体积和形状的变化称为形变。形变包括体积 形变、剪切形变、弹性形变和塑性形变【2 】。应变是指物体在受外力作用下不发生位 移运动，但物体的形状和尺寸发生了变化；应力定义为单位面积上承受的力，是 物体发生形变后内力的作用。二者存在着必然的联系。外部应力较小时，撤销应 力作用后，物体能够恢复其原有形状的变形叫弹性变形；当外部应力较大时，撤 销应力作用后，物体的变形不能完全消失、只能部分恢复原有形状和尺寸的变形 叫塑性变形。塑性变形是金属和合金材料的主要声发射源，它包括位错运动、滑 移形变、孪生形变和晶体结构变化【2 】。 3 断裂 大多数材料受到严重破坏时都会伴随断裂的发生，断裂是声发射源的基本形 式之一，从某种角度上讲，它是塑性变形的结果。材料的断裂可分为脆性断裂和 塑性断裂。按照断裂形成的过程，可将断裂分为初始裂纹成形、裂纹扩展和断裂 最后形成。每个阶段都会产生大量的声发射现象，并且随着阶段的深入，声发射 现象会越发明显。从初始裂纹形成到裂纹扩展，需要经历一个漫长的能量积累阶 段，这是因为后者需要的能量是前者的几百倍。裂纹扩展期间会释放积累的大量 能量，裂纹扩展速度加快，当达到裂纹的临界长度后，材料从裂纹量的积累飞跃 到材料的断裂，此时声发射强度达到最大，材料内部结构基本失效。 2 3 2 声发射信号传播 从声发射的定义可以看出，声发射波是一种弹性波。物体在外界力作用下， 内部某些粒子在其平衡位置发生的振动( 即应变) ，引起周围粒子做相应的振动， 在弹性介质中，此种振动的传播叫弹性波。声发射信号传播的是声发射源粒子的 振动形式和能量。其在材料内的传播过程是声发射源释放瞬时弹性波，经弹性介 质以球面波形式向周围传播( 假定声发射源是点源) ，到达材料的外部，引起外部 表层的机械振动。 类似于机械波，声发射波按振动和传播方向可以 于一般固体，体积形变激励出纵波，剪切形变激励出 表面并且沿表面传播产生表面波f l 引。根据波的传播与 种波在不同介质的传播速度不同，会在两种介质的界 反射后伴随波的类型转换，即横波、纵波同时出现， 1 0 第二章声发射技术理论基础 继续传播。声发射的横、纵波遵循该原理，它们在同一介质里传播的速度不同， 到达不同介质( 固体中两种介质通常为固体和空气或固体和液体) 界面时也会产 生两类横波和纵波。 声发射波在介质的传播中，伴随介质粒子的振幅下降，传递的能量也逐渐衰 减。它衰减的因素有很多，常见的有粒子间相互作用引发的衰减、散射损失衰减、 粘性衰减嘲。声发射信号的强度从声发射源开始逐渐减弱，到达材料表面层时，信 号强度降到最低，需要借助高灵敏度的传感器进行检测。用最灵敏的传感器，可 探测到微弱的表面振动，之后经人工声电转换、信号放大、去噪，由示波器记录 和图像显示出来。 2 4 声发射信号特征 声发射源的差异导致声发射信号特性的差异，前面提到的凯瑟效应是其一种 特性，下面介绍其另外三种体现声发射信号差异的特性：时域性、频域性和费利 西蒂( f e l i c i t y ) 性。 2 4 1 时域性 声发射源产生的瞬时弹性波是能量汇聚的结果，是一个随机过程，这导致声 发射信号在某段瞬时增强而后快速衰减 2 9 1 ，所以声发射信号具有瞬时的时域性， 是一种不稳定信号。 t u s 2 1 o - 1 - 2 1 i。 l 。l 弦i 。 拶硼 哪秘剐y l 钠 燃i 棚哪 o1 2 3 4 0 05 6 0 0 t u s i a ) 突发型信号 l b ) 连续型信号 图2 3声发射信号类型 在时域中可以测量到信号的幅值信息、信号波形的变化快慢、连续的脉冲波、 脉冲上升与下降的快慢。据此特点将声发射信号划分成突发和连续型两类( 图2 3 所示) 。在时域中，突发型信号是一种可划离的波形，由a e 事件数、振铃计数、 能量、幅度和时间( 上升或持续) 等组成。材料的突发断裂会产生突发型信号。 当声发射的频率过高导致不能分辨信号的单个脉冲时，这类信号称为连续型信号， 它除含有突发型信号的振铃计数和能量参数外，还包含有效值电压和平均信号电 天津工业大学硕士学位论文 平等参数。金属和合金材料的塑性形变会产生连续型信号。 2 4 2 频域性 声发射的频域性特指其频率范围广，从1 k h z 到1 0 0 m h z ，几乎涵盖了整个声 频范围。 2 4 3 费利西蒂性 声发射的费利西蒂性与凯瑟效应相反，指的是材料重复加载的载荷达到以前 所加载的最大载荷前会出现显著的声发射现象，它是凯瑟效应的拓展。费利西蒂 比定义为重复加载的载荷与之前加载最大载荷之比。在三维编织复合材料的声发 射中，费利西蒂比是一个关键的衡量参数，它涉及到材料重复加载应力时，载荷 在材料内部的重新分布会导致材料的声发射现象提前产生。 2 5 声发射信号分析 瞬时弹性波释放的同时，也会生成从零赫兹到几兆赫兹用于模拟声发射信号 频谱图。根据对频谱图处理可将a e 信号分析方法分为特征参数分析和波形分析。 2 5 1 参数分析法 早期声发射的研究中，受条件因素的限制，声发射信号特征参数法是主要的 分析方法。它分析声发射波形图中提取的典型特征数，用于了解材料的破坏程度 和评估材料的损伤模型。这些特征参数包括幅度、计数、能量、上升时间、持续 时间、阙值电压等。特征参数按用途可分为：状态参数和过程参数。状态参数表 现声发射过程中某一瞬时状态下的声发射行为，而过程参数描述整个或部分声发 射过程，表现了过程总体的行为。常见的过程参数有波击计数、振铃计数、事件 计数、持续时间；状态参数有声发射事件率、振铃计数率和能量释放率等。 对波形信号来说，由于提取的特征参数不能代表声发射的原始信息，所以声 发射特征参数分析法不足以表明声发射源的信息，但是特征参数以数值形式存在， 占用空间少，简化计算处理的过程，常用作辅助波形分析法。 2 5 2 波形分析法 波形分析法是指用仪器记录和存储声发射信号的波形，而后对波形进行频谱 分析的方法。它经历了早期基于窄频带传感器的时频域谱分析，到现代基于宽频 带传感器的模拟声发射理论分析的阶段，包括传统的谱分析、f f t 分析、小波分 析、人工神经网络等。为了采集到更完整、更大范围频率内的声发射波信号，现 代波形分析方法通常使用宽频带传感器采集声发射信号，但宽频带传感器的致命 弱点是其灵敏度较低( 距离声发射源较远时，采集的声发射波形不完整，部分可 能失真) 、数据占用空间较大和不能实时处理声发射信号。伴随声发射技术软件和 1 2 第二章声发射技术理论基础 硬件的发展，全波形化和数字化的声发射采集系统不仅能实现采集和记录所有声 发射信号，并且能够提取特征信号，在此基础之上运用小波分析和人工神经网络 技术，对声发射源的损伤模式进行判断分析和模式识别。 传统的谱分析法是利用f f t ，研究从时域转换到频域的声发射信号表征信息， 之后开展信号处理后的相关工作。但谱分析忽视了信号的局部发展变化信息，只 是从全局角度分析信号。由于声发射信号的随机性，对局部信号的研究分析也能 获取相关信息，加之谱分析的工作量大