玻璃纖維復(fù)合材料靜載荷聲發(fā)射試驗研究

張祥春，張 鷺，蔡良續(xù)，鮑 凱

（中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

0 引 言

聲發(fā)射測量技術(shù)作為一種新的動態(tài)檢測技術(shù)，具有動態(tài)、實時、整體、在線等獨特優(yōu)勢，不僅可以確定被檢件所受損傷的嚴重性和缺陷存在的位置，而且還可以預(yù)測被檢件的使用壽命。因此，聲發(fā)射測量技術(shù)在故障診斷、材料特性分析及橋梁監(jiān)測等方面的應(yīng)用越來越廣泛。

目前，國外材料聲發(fā)射特性基礎(chǔ)研究日益深入和系統(tǒng)，美國PAC公司、俄羅斯克羅列夫研究院、烏克蘭巴登焊接研究所等單位已經(jīng)建成自己的材料聲發(fā)射特性數(shù)據(jù)庫；而我國在此方面的研究才剛剛起步[1-2]。

玻璃纖維復(fù)合材料是航空、航天中應(yīng)用比較廣泛的材料之一，對其材料聲發(fā)射特性進行研究與分析具有重要的現(xiàn)實意義。國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)，如航天703所、兵器53所等根據(jù)自身產(chǎn)品的特點進行了玻璃纖維復(fù)合材料的聲發(fā)射特性研究工作，積累了一定的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。但由于缺乏統(tǒng)一的試驗和分析技術(shù)條件，其數(shù)據(jù)不能很好地反映該種材料的聲發(fā)射特性[3]。該文則通過研究該種材料在靜力試驗條件下的損傷破壞過程的聲發(fā)射特性，分析該材料損傷各階段的聲發(fā)射特性和對應(yīng)的載荷比，系統(tǒng)且完整地得到了該材料損傷類型特征及聲傳播特性，為玻璃纖維復(fù)合材料聲發(fā)射特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究打下了良好基礎(chǔ)[4]。

1 試 樣

玻璃纖維復(fù)合材料試樣尺寸確定的主要原則為：適合試驗機的夾持，并留出80mm的傳感器間距位置，根據(jù)金屬和非金屬力學性能試樣制作相關(guān)的規(guī)范在尺寸靠近的基礎(chǔ)上進行制作。試樣設(shè)計圖如圖1和圖2所示。

圖1 玻璃纖維復(fù)合材料彎曲試樣設(shè)計圖（單位：mm）

圖2 玻璃纖維復(fù)合材料拉伸試樣設(shè)計圖（單位：mm）

2 直接拉伸變形聲發(fā)射試驗

在Instron8032型拉伸機上對玻璃纖維復(fù)合材料拉伸試樣進行直接拉伸變形試驗，并進行聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集，具體試驗參數(shù)見表1。典型的直接拉伸加載曲線見圖3所示，試驗傳感器間距為80mm，分析

圖3 直接拉伸加載曲線

表1 玻璃纖維復(fù)合材料拉伸試驗聲發(fā)射特性數(shù)據(jù)采集試驗基本條件

設(shè)置聲速為2500m/s。5個試樣的聲發(fā)射數(shù)據(jù)匯總見表2。

表2 5個試樣試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

玻璃纖維復(fù)合材料直接拉伸變形斷裂過程典型聲發(fā)射結(jié)果如圖4所示。玻璃纖維復(fù)合材料的聲發(fā)射信號十分豐富，從定位圖上可以看出在整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)定位較為均勻。觀察振鈴計數(shù)累積曲線的趨勢，可以判斷出聲發(fā)射起始點載荷大約為0.2152，振鈴計數(shù)快速增加的開始點載荷約為0.7799。根據(jù)這2個載荷點大致可以將聲發(fā)射過程分為3個階段：第I階段為試驗開始至聲發(fā)射起始點，該階段幾乎沒有聲發(fā)射出現(xiàn)；第II階段為聲發(fā)射起始點至振鈴計數(shù)快速增加開始點，該階段的聲發(fā)射信號較多，從信號幅度上看從門檻開始至最大幅度均有信號分布；第III階段從聲發(fā)射振鈴計數(shù)快速增加開始點至最終完全斷裂，這個階段表現(xiàn)為中低幅度信號的數(shù)量急劇增加。從斷裂后的形貌上觀察發(fā)現(xiàn)，在整個監(jiān)測區(qū)域發(fā)生大面積多層次的脫粘。

3 3點彎曲變形聲發(fā)射試驗

在Instron8032型拉伸機上對玻璃纖維復(fù)合材料拉伸試樣進行3點彎曲變形試驗，并進行聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集，具體試驗參數(shù)見表3所示。

典型的3點彎曲加載曲線見圖5，試驗傳感器間距為150mm，分析設(shè)置聲速為3000m/s。5個試樣的聲發(fā)射數(shù)據(jù)匯總見表4。

圖4 玻璃纖維復(fù)合材料直接拉伸變形斷裂過程典型聲發(fā)射結(jié)果

表3 玻璃纖維復(fù)合材料3點彎曲試驗聲發(fā)射特性數(shù)據(jù)采集試驗基本條件

圖5 3點彎曲加載曲線

表4 5個試樣試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

玻璃纖維復(fù)合材料3點彎曲變形斷裂過程典型聲發(fā)射結(jié)果如圖6所示，從中可以發(fā)現(xiàn)材料在彎曲過程中信號數(shù)量很多，從定位圖上觀察信號主要集中在中間壓頭部。

觀察振鈴計數(shù)累積曲線并利用聲發(fā)射起始載荷點和振鈴計數(shù)快速增長開始點可以將聲發(fā)射試驗過程分為2個階段[5]。

圖6 玻璃纖維復(fù)合材料彎曲變形斷裂過程典型聲發(fā)射結(jié)果

從試驗開始至聲發(fā)射起始點為第I階段，在這個階段聲發(fā)射信號數(shù)量、幅度、振鈴計數(shù)都很小，分析認為這些信號主要與試樣上支點和壓頭的摩擦相關(guān)；聲發(fā)射起始點至聲發(fā)射振鈴計數(shù)快速增加開始點為第II階段，在這個階段，材料損傷隨彎曲載荷的上升而穩(wěn)定增加，信號幅度主要分布在中低幅度區(qū)間。從信號持續(xù)時間上看，表現(xiàn)為階段式上升的態(tài)勢，且后次的最大值一般要超過前一次，兩次最大值之間信號持續(xù)時間顯著下降[6]。

4 結(jié)束語

對玻璃纖維復(fù)合材料進行靜力載荷條件下的聲發(fā)射試驗研究，可有效并清晰地揭示該材料在靜力試驗條件下?lián)p傷破壞過程中的聲發(fā)射特性及材料損傷類型特征，為該材料的壽命健康監(jiān)測、缺陷判定提供評價依據(jù)[7]。

[1] Gong Z，Nyborg E O，Oommen G.Acoustic emission monitoring of steel railroad bridges [J]. Materials Evaluation，1992，50（6）：883-887.

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[3] Qi G.Wavelet-based AE characterization of composite materials[J].NDT&E International，2000，33（2）：133-144.

[4] 李光海，劉正義.基于聲發(fā)射技術(shù)的金屬高頻疲勞監(jiān)測[J].中國機械工程，2004，15（13）：1205-1209.

[5] Talebzadeh M，Roberts T M.Acoustic emission monitoring of fatigue crack propagation[J].Journal of Constructional SteelResearch.JournalofTesting and Evaluation，1999，27（5）：647-651.

[6] Paris P，Erdogan F.A critical analysis of crack propagation laws[J].Journal of Basic Engineering，1963（85）：528-584.

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