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聲發(fā)射波形分析技術(shù)在復(fù)合材料故障評價中的作用

作者: 時間:2013-11-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

技術(shù)在復(fù)合材料故障評價中的作用

介紹薄板中信號的一些特點和如何利用時域波形識別不同故障源的基礎(chǔ)理論知識,以及利用波形識別技術(shù)在雷達(dá)罩和碳纖維復(fù)合材料等試件上所獲得的一些試驗結(jié)果。
主題詞 聲發(fā)射檢驗 波形 復(fù)合材料

  早在聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展初期,人們就意識到在材料性能評價中的重要作用。由于信號處理技術(shù)的限制,早期的聲發(fā)射儀器很少具備對聲發(fā)射信號進行瞬態(tài)捕捉和實時處理的能力,因此,用得較為廣泛并為大家所認(rèn)可的是聲發(fā)射信號的參數(shù)分析方法,常用參數(shù)有振鈴數(shù)、能量、事件、事件率、上升時間和脈沖持續(xù)時間等。參數(shù)分析方法獲得廣泛應(yīng)用的另一原因是,就大量存在的聲發(fā)射應(yīng)用問題而言。人們更關(guān)心的是有無聲發(fā)射信號。并以此來對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行監(jiān)測。另外,實際應(yīng)用中大量使用靈敏度很高的諧振式聲發(fā)射傳感器,它具有很高的信噪比,但由于一些原因,對其輸出信號進行波形或頻譜分析給不出多少有用信息。因此,聲發(fā)射信號的技術(shù)一直未得到廣泛應(yīng)用。
  數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的迅速發(fā)展導(dǎo)致全數(shù)字式聲發(fā)射儀的問世。這給瞬態(tài)波形分析的研究創(chuàng)造了條件并使其實際應(yīng)用成為可能。由于實驗室試件和工程構(gòu)析多以板結(jié)構(gòu)為主,因此,研究板中聲發(fā)射信號的特點和不同機理的源產(chǎn)生波形的異同(以及相應(yīng)的頻譜和相關(guān)特性的異同)。進而尋找識別方法就顯得更有意義。
  在這一領(lǐng)域進行了許多開拓性工作的是美國學(xué)者Gorman,他在復(fù)合材料板的聲發(fā)射波形特征方面做了大量工作,并提出了“板波聲發(fā)射”這一專門術(shù)語用以區(qū)分波形分析方法和過去人們習(xí)慣了的參數(shù)分析方法。
  復(fù)合材料,諸如碳纖維增強塑料(CFRP)、玻璃纖維復(fù)合材料(GFC)和Kevlar等以其優(yōu)越的性能在航空和航天技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。由于復(fù)合材料的損傷一般發(fā)生得比較突然,如何使用無損檢測法評價其性能或監(jiān)測在它內(nèi)部的故障和缺陷,一直是人們非常關(guān)心的。但是,在利用聲發(fā)射波形識別復(fù)合材料損傷機制方面,至今尚未取得很大的成功。

理論分析
  對于厚度方向尺寸遠(yuǎn)小于其它兩個方向的板而言,相應(yīng)于一定的激勵條件,在其中主要形成的是板。

  可以看出,前者是擴展波(縱波),其傳播速度是一個定值,它沒有頻散效應(yīng);后者是一種彎曲波,其傳播速度與角頻率的平方要成正比,這有頻散效應(yīng)。在一般情況下,板中的波是這兩種波的且合(這兩種波會互相耦合)。并存在多種模式的板波。但當(dāng)板厚遠(yuǎn)小于波長時,這兩種可以近似作為板中波的代表。實際上,前者相當(dāng)于最低階的對稱波S。后者相當(dāng)于最低階的反對稱波A。兩種波位移的相對幅度同激勵方式有關(guān),當(dāng)激勵力源作用方向與板平面垂直時,在板中主要產(chǎn)生的是彎曲波。相反,當(dāng)力源作用方向是沿板平面方向時,板中產(chǎn)生的主要波型應(yīng)當(dāng)是擴展波。例如,當(dāng)在板平面垂直方向施加斷鉛信號(相當(dāng)于階躍力脈沖)激勱薄板時,離源一定距離處所接收到的信號民呈圖1所示的波形。由該圖可以看出,先行到達(dá)傳感器的是傳播速度較快的擴展波,后來到達(dá)的是速度較慢但占主導(dǎo)地位的變曲波,后者還有頻散效應(yīng),而當(dāng)力源在復(fù)合材料板側(cè)面并沿板平面方向作用時,主要產(chǎn)生的是擴展波(圖2和圖4b),一般而言,擴展波的高頻成分要比彎曲波豐富得多,如對兩種波形進行頻譜分析,這一點可以看得更清楚,從公式(5)可以看出,彎曲波的相速度與頻率的平方要成正經(jīng),表現(xiàn)在圖1上就是先行抵達(dá)的彎曲波頻率較高,而那些姍姍來遲的彎曲波頻率都較低(脈沖寬度變大)??梢园褟?fù)合材料中不同的故障源看成是不同的激勵源,它們所產(chǎn)生的板波特性(波形和主要頻率成分)應(yīng)當(dāng)不一樣。因此,利用所接收信號的波形來獲得有關(guān)復(fù)合材料性能或故障的信息應(yīng)當(dāng)是有可能的。需要強調(diào)指出的是,為了驗證上述討

  論結(jié)果,在聲發(fā)射測量系統(tǒng)中必須使用寬帶聲發(fā)射傳感器和寬帶放大電器,這樣,所獲結(jié)果才有意義。
復(fù)合材料板的聲發(fā)射信號特征
  復(fù)合材料一般總是強聲發(fā)射源,它產(chǎn)生聲發(fā)射信號的源有纖維斷裂、基體破裂、分層和開膠等。如何識別這些不同的破壞源一直是人們關(guān)心的問題。過去曾成功地利用Felicity效應(yīng)預(yù)報過復(fù)合材料的斷裂。事實表明,聲發(fā)射技術(shù)能比其它方法(如超聲波衰減系數(shù)的變化)更早地預(yù)報出復(fù)合材料的斷裂故障。如前所述,薄板中所產(chǎn)生的低階波究竟是哪種模式占主導(dǎo)地位,基本上取決于激盛方式,亦即同故障模式有關(guān)。我們知道,復(fù)合材料的纖維排列一般都是沿板的平面展開,不同層的纖維又在厚度方向通過粘結(jié)或其它方式堆積而成,因此,纖維斷裂總是在平面內(nèi)完成,它類似于一個沿板平面方向的階躍作用力,因此,伴隨纖維斷裂的聲發(fā)射信號總是以擴展波為主,其特點是波的傳播速度較快,高頻含量豐富,而且無頻散效應(yīng);分層故障由于發(fā)生在層與層之間,它是沿板厚方向完成的,類似于一個沿板平面垂直方向的激勵力,因此,它所激發(fā)出的聲波應(yīng)當(dāng)是以彎曲波為主,其主要特點是有頻散效應(yīng),先行到達(dá)的是頻率較高的高頻波(瞬態(tài)波形的周期較短),而后來到達(dá)的波頻率較低、持續(xù)時間較長;基體破裂和脫膠等故障產(chǎn)生的聲發(fā)射信號,其特征應(yīng)當(dāng)介于兩情況之間,即既有擴展波又有彎曲波。以上分析對我們識別復(fù)合材料中的不同故障源十分有用。
  對碳纖維復(fù)合材料試塊(兩塊330mm×165mm×2mm板中間夾有蜂窩結(jié)構(gòu))進行了模擬聲發(fā)射源試驗(0.5mm鉛芯斷鉛聲源),試驗裝置的方框圖見圖3。試驗時,在試塊的無缺陷一面上共安裝了四個寬帶聲發(fā)射傳感器(PAC公司產(chǎn)WD型,圖上僅示出兩個通道),信號經(jīng)頻帶范圍為100-1000kHz的前置放大器(1801A型)放大后,送入全數(shù)字式聲發(fā)射儀Mistras-2001(PAC公司產(chǎn)品)進行分析并獲得信號波形和頻譜特性。為了消除邊緣回波的影響,取儀器的參數(shù)HLT(聲發(fā)射HIT鎖定時間)為1000us,這樣,前10-20次反射波的影響都能被抑制掉。圖4a是在位于試件表面,但作用力方向與表面近于垂直的模擬聲發(fā)射源作用下所獲得的波形,可以看出,先行到達(dá)的擴展波幅度很小,而占主要地位的彎曲波具有十分明顯的頻散效應(yīng)。圖4b是當(dāng)斷鉛信號發(fā)生在試件側(cè)面時所獲得的瞬態(tài)波形,主要產(chǎn)生的是沒有頻散效應(yīng)的擴展波(應(yīng)當(dāng)注意,其幅度仍然大大小于上述彎曲波)。在前面的分析中我們已經(jīng)說過,沿板平面方向的聲發(fā)射源相當(dāng)于纖維斷裂,而沿垂直于板平面作用的聲發(fā)射源類似于分層等故障信號,因此,圖4a相當(dāng)于分層或剝落等缺陷,而圖4b類似于纖維斷裂。上述分析為我們識別復(fù)合材料


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