帶有槽缺陷游樂設施用Q235圓管構件彎曲破壞聲發(fā)射特性

張洪波 王聰 孫陽

摘要：為研究帶有槽缺陷游樂設施用Q235圓管構件破壞時聲發(fā)射特性，利用聲發(fā)射技術監(jiān)測其三點彎曲破壞過程。通過對載荷時間曲線與聲發(fā)射相對能量、幅度、振鈴計數(shù)特征參數(shù)歷程圖的綜合分析，可將其破壞過程劃分為3個階段。該過程聲發(fā)射信號幅值主要集中在4070dB之間，且隨缺陷長度增加，超過70dB信號振鈴計數(shù)明顯增多，典型階段特征參數(shù)峰值增大。相對能量持續(xù)時間歷程圖中高持續(xù)時間、低能量信號來自于加載過程中的噪聲干擾。聲發(fā)射特征參數(shù)將缺陷微小變化對構件整體性能的影響量化，歷程圖變化與力學行為一一對應，建立聲發(fā)射特征信號與彎曲力學性能和缺陷長度的聯(lián)系，為聲發(fā)射監(jiān)測游樂設施損傷的判定提供依據(jù)。

關鍵詞：聲發(fā)射監(jiān)測;Q235圓管;三點彎曲

中圖分類號：TH142.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）05-0038-05

收稿日期：2017-04-15;收到修改稿日期：2017-05-16

基金項目：河北大學大學生創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（2016166）

作者簡介：張洪波（1977-），男，河北唐山市人，副教授，主要從事特種設備無損檢測研究。

0 引言

近年來我國游樂設施行業(yè)進入快速發(fā)展階段，然而對游樂設施的檢測技術仍依賴于常規(guī)無損檢測手段[1-2]。作為常見載人設備的一種，游樂設施正向大型化、高速化、新奇化發(fā)展，發(fā)生危險干系重大，這就決定了對其構件進行安全性能評價時不應局限于對靜態(tài)指標的檢測[3]。聲發(fā)射技術是一種探測設備整體活性缺陷演變狀態(tài)的新型無損檢測技術，能夠通過記錄聲發(fā)射信號特征參數(shù)對在役設備進行實時、整體、連續(xù)監(jiān)測，從而深入、全面地了解構件的損傷破壞過程，實現(xiàn)對設備的早期故障診斷[4-6]。

目前國內尚無游樂設施聲發(fā)射檢測技術方面的具體標準，僅有部分單位和學者做過相關嘗試。李良[7]將聲發(fā)射技術理論應用于大型游樂設施（摩天輪），對其關鍵部位（如主軸）出現(xiàn)裂紋時進行在線監(jiān)測，為其安全評定提供依據(jù)。聲發(fā)射技術被應用于材料破壞過程的動態(tài)監(jiān)測，陽能軍等[$]通過研究30CrMnSi三點彎曲過程中的聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)進一步分析其損傷演化過程。張忠政等[9]研究了錯金屬拉伸過程中的聲發(fā)射參數(shù)和頻率特性，并以此表征了錯金屬拉伸過程不同階段的損傷狀況。謝志龍等[10]利用聲發(fā)射參數(shù)變化探求不同取樣方向鋼板試件的特征差異。Sahoo等[11]利用聲發(fā)射計數(shù)在拉伸屈服點附近出現(xiàn)最大值來表征不同退火溫度對304不銹鋼試件的影響。聲發(fā)射信號的分析與處理方面也暫無統(tǒng)一標準，參數(shù)分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、小波分析等方法均可用于不同條件下不同信號的識別與分離，具有一定準確性[12-13]。

本文主要利用聲發(fā)射技術監(jiān)測帶有不同長度槽缺陷的游樂設施用Q235圓管構件三點彎曲過程，通過分析載荷、相對能量、振鈴計數(shù)等參數(shù)與時間的相互關聯(lián)，總結聲發(fā)射特征信號與彎曲力學性能和缺陷長度的關系，為聲發(fā)射監(jiān)測游樂設施損傷的判定提供依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

試驗材料選用游樂設施用長400mm，外徑87.2mm，壁厚3.6mm的Q235有焊縫管狀構件，并預設橫向槽缺陷。槽缺陷深度和寬度為0_5mm，長度分別為3，4，6，10，15mm。橫向槽缺陷長度與管狀試件長度方向一致，且垂直于管件受力方向。管件焊縫置于加載最下方，與三點彎曲夾具下端兩支點相接觸。橫向槽缺陷距離焊縫弧長為90mm。缺陷位置與傳感器布置如圖1所示，其中夾具兩支點距離為160mm，傳感器線性布置且使其關于缺陷兩側對稱，間距280mm。

1.2 試驗過程

管狀試件三點彎曲試驗在CMT5305型微機控制電子萬能試驗機上進行，加載速度為2mm/min，預加載最大壓力為10kN，卸載壓力至1kN，保載20s后繼續(xù)加載，設定加載最大位移為34mm時停止。同時用Vallen AMSY-5型全數(shù)字全波形8通道聲發(fā)射儀監(jiān)測彎曲破壞過程。其中，傳感器頻帶寬度為100450kHz，中心頻率150kHz，內置門檻值40dB，采樣頻率為2.50MHz。

2 試驗結果分析

聲發(fā)射事件的強度能夠通過聲發(fā)射特征參數(shù)（相對能量、幅度和振鈴計數(shù)）反映，聲發(fā)射特征參數(shù)與時間歷程圖中數(shù)據(jù)變化趨勢可以有效描述管狀構件三點彎曲時缺陷的損傷演化過程。

2.1 加載力學性能和聲發(fā)射相對能量歷程圖分析

帶有不同長度槽缺陷管狀構件載荷和相對能量隨時間變化如圖2所示。

依據(jù)其變化可以將試件彎曲過程分為微裂紋形成階段、裂紋穩(wěn)定擴展階段和失穩(wěn)擴展階段3個部分。

1）微裂紋形成階段。隨著加載過程進行，載荷增速逐漸放緩，聲發(fā)射信號相對能量出現(xiàn)小幅增高后降落。這是由于載荷不斷增長促使材料內部晶格間發(fā)生滑移，而槽缺陷處應力集中嚴重導致缺陷尖端塑性區(qū)增大較快，微裂紋在此高應力區(qū)最先萌生，之后不斷閉合、張開。但是微裂紋形成時釋放應變能較低，所以此階段聲發(fā)射相對能量歷程圖僅顯示小幅波動，不過隨缺陷長度由3mm到15mm，此階段能量峰值由2007.49eu增大至4289.95eu。

2）裂紋穩(wěn)定擴展階段。裂紋擴展行為隨加載過程間斷進行，尖端塑性區(qū)累積能量釋放后實現(xiàn)宏觀裂紋的穩(wěn)定擴展，此時塑性區(qū)釋放能量高于微裂紋形成階段，并且隨著缺陷長度的增加，此階段相對能量峰值明顯增大，相對能量歷程圖中顯示出大幅度增漲。但是，隨著缺陷長度增加，受到裂紋尖端鈍化現(xiàn)象的影響，特征參數(shù)歷程圖中顯示的增漲波動幅度逐漸平緩。

3）失穩(wěn)擴展階段。該階段相對能量保持短時間較高值后迅速降落，意味著裂紋逐漸擴展至臨界長度后開始失穩(wěn)擴展，材料發(fā)生嚴重變形。此時伴隨大量應變能釋放。

2.2 其他聲發(fā)射特征參數(shù)歷程圖分析

加載試件聲發(fā)射參數(shù)振鈴計數(shù)—時間、幅度—時間、振鈴計數(shù)—幅度歷程圖如圖3所示，相對能量—持續(xù)時間歷程圖如圖4所示。

由圖3中振鈴計數(shù)—時間、幅度—時間歷程圖可看出，圖示參數(shù)在試驗過程中整體變化趨勢與相對能量歷程圖中所示相似。微裂紋形成階段幅值較低、振鈴計數(shù)較少，僅有小幅度增漲出現(xiàn)。而裂紋擴展階段參數(shù)數(shù)值迅速攀升，使之成為特征參數(shù)高數(shù)值集中區(qū)域。之后，參數(shù)歷程有略微降落趨勢，但隨著載荷不斷增加，試件進入失穩(wěn)擴展階段，信號振鈴計數(shù)與幅度再次升高。

在振鈴計數(shù)—幅度歷程圖中可得出兩者呈現(xiàn)正相關關系，且清晰顯示信號幅值主要集中在40～70dB。隨著缺陷長度增加，超過70dB信號振鈴計數(shù)大幅增漲。結合幅度—時間歷程圖可知超過70dB高幅值信號主要來自裂紋擴展階段，且隨缺陷增長高幅值信號占比增大。

圖4中聲發(fā)射參數(shù)相對能量與持續(xù)時間大致呈正相關關系，但在圖像后期出現(xiàn)類花束狀分散顯示。分析可知，高持續(xù)時間、低能量值信號來自試驗過程中的噪聲干擾，包括摩擦、夾具與試件的磨合等。所以可利用該歷程圖檢驗降噪措施有效性。

3 結束語

1）試驗采集到的聲發(fā)射信號有效記錄了Q235圓管構件三點彎曲過程中的特征信息，實時反映了材料變形過程。

2）通過載荷、聲發(fā)射相對能量、幅度和振鈴計數(shù)與時間關系對不同長度槽缺陷的材料變形進行分析，參數(shù)歷程圖變化與試件破壞的典型力學特征一一對應，并將破壞過程分為微裂紋形成、裂紋穩(wěn)定擴展和失穩(wěn)擴展3個階段，利用聲發(fā)射特征參數(shù)歷程圖形象、直觀描述了彎曲破壞的力學過程。

3）隨著缺陷長度的增加，裂紋穩(wěn)定擴展階段特征參數(shù)峰值明顯增大且顯示波動幅度逐漸變小。聲發(fā)射特征參數(shù)將缺陷微小改變對構件整體性能的影響量化，為活性缺陷的判斷和評價提供依據(jù)。

4）聲發(fā)射振鈴計數(shù)與幅度，相對能量與持續(xù)時間呈正相關關系。加載過程中信號幅值主要集中在4070dB之間，且隨缺陷長度增加，超過70dB信號振鈴計數(shù)明顯增多。相對能量與持續(xù)時間歷程圖中高持續(xù)時間、低能量值信號主要來自試驗過程中的噪聲干擾，包括摩擦、夾具與試件的磨合等。

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（編輯：商丹丹）