階梯加載在復合材料容器聲發(fā)射檢測中的應用

(西安航天復合材料研究所, 西安 710025)

復合材料容器水壓試驗過程的聲發(fā)射檢測多采用升壓式加載方式，評估中多對其聲發(fā)射信號趨勢進行一致性評估，但較難進行定量分析。往復式階梯加載方式不同于升壓式加載方式，具有明顯的升壓段、保壓段及降壓段，可以獲得更多的聲發(fā)射信號特征，可能會為容器的質(zhì)量評估提供更多的量化信息。ASTM-1067StandardPracticeforAcousticEmissionExaminationofFiberglassReinforcePlasticResin(FRP)Tanks/Vessels中推薦復合材料容器聲發(fā)射檢測使用階梯加載方式，但檢測時推薦的最高加載載荷較低(不高于2 MPa)，未見以水為介質(zhì)的高壓階梯加載的介紹。階梯加載類似于在每一階梯下進行的重復加載，是獲得費里西蒂比的主要途徑。國內(nèi)有通過重復加載獲得費里西蒂比的介紹，但未進行階梯加載過程中每一階梯下費里西蒂比的計算。文章以小容器為對象，研究了水壓試驗往復式階梯加載在容器聲發(fā)射檢測中的應用，為進一步了解容器性能提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗制備與方法

1.1 加載方式

試驗中采用的加載方式為兩種：常規(guī)升壓式加載方式和往復式階梯加載方式，加載曲線如圖1所示。

圖1 兩種加載方式的加載曲線示意

從圖1可以看出，往復式階梯加載過程包括升壓段、保壓段及卸壓段等過程。通過階梯往復加載獲得每一保壓載荷下聲發(fā)射信號的費里西蒂比值(以下簡稱費比)。費比常用來表征被試容器在之前最高壓力下的損傷程度。某載荷下的費比越高，表明容器承受該載荷時所受的損傷越小。文獻[1]報道，費比降低與產(chǎn)品極限強度有一定的相關性。往復式階梯加載過程中，有降壓段和再升壓段，可以獲得前一載荷下的費比，為容器加載時的變化過程提供了相關質(zhì)量信息。

1.2 試驗方案

以碳纖維纏繞容器為試驗對象，先進行檢壓試驗，后進行爆破試驗。檢壓試驗中取1個容器采用往復式階梯加載，1個采用常規(guī)升壓式加載。檢壓試驗過程中進行聲發(fā)射檢測，試驗后對聲發(fā)射信號進行分析，研究不同加載方式下的聲發(fā)射信號特征；隨后進行爆破試驗，實測往復式階梯加載過程對容器內(nèi)壓強度的影響。

1.3 試驗對象

試驗對象為碳纖維纏繞成型的復合材料容器，其直徑約為480 mm，主要包括前后封頭、筒段及金屬件等部位。碳纖維在一定張力作用下浸漬基體，由纏繞機纏繞成型。試驗中共使用2臺復合材料容器，2臺容器的設計制造工藝一致，編號分別為1，2。

1.4 聲發(fā)射檢測設置

聲發(fā)射設備使用美國PAC公司生產(chǎn)的DISP聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，選用R15型號的探頭，前置放大器選246。試驗前對試驗參數(shù)進行設置,聲發(fā)射參數(shù)設置如表1所示。在容器表面布置2個探頭，其具體位置如圖2所示。完成探頭布置及系統(tǒng)設置后，對各檢測通道進行校準直至通道靈敏度滿足試驗要求。

表1 容器試驗過程中聲發(fā)射參數(shù)設置

圖2 試驗過程中聲發(fā)射探頭位置布置示意

1.5 加載設置

按照容器的設計技術文件確定加載時的最高檢壓載荷P1。

往復式階梯加載過程加載流程為：0 MPa→1 MPa(穩(wěn)壓120 s)→2 MPa(穩(wěn)壓120 s)→1 MPa(穩(wěn)壓120 s)→3 MPa(穩(wěn)壓120 s)→2 MPa(穩(wěn)壓120 s)→4 MPa(穩(wěn)壓120 s)→3 MPa(穩(wěn)壓120 s)→5 MPa(穩(wěn)壓120 s)→4 MPa(穩(wěn)壓120 s)→6 MPa(穩(wěn)壓120 s)→5 MPa(穩(wěn)壓120 s)→7 MPa(穩(wěn)壓120 s)→6 MPa(穩(wěn)壓120 s)→8 MPa(穩(wěn)壓120 s)→7 MPa(穩(wěn)壓120 s)→9 MPa(穩(wěn)壓120 s)→8 MPa(穩(wěn)壓120 s)→10 MPa(穩(wěn)壓120 s)→9 MPa(穩(wěn)壓120 s)→11 MPa(穩(wěn)壓120 s)→0 MPa。升降壓速率為1 MPa·min-1。1號容器進行往復式階梯加載。

常規(guī)升壓式加載過程加載流程為：0 MPa→1 MPa→2 MPa→…→10 MPa(穩(wěn)壓30 s)→0 MPa。升壓速率為1 MPa·min-1。2號容器進行升壓式加載。

2 試驗結果與分析

2.1 信號趨勢分析

1號容器進行了往復式階梯加載，其聲發(fā)射信號特征及加載曲線如圖3所示。

圖3 1號容器采用往復式階梯加載時的加載曲線及聲發(fā)射信號特征圖

從圖3可以看出，階梯往復式加載過程中，每一升壓段的聲發(fā)射信號呈快速增加趨勢，表明隨著載荷的增加，容器出現(xiàn)應力釋放現(xiàn)象。隨著保壓段的到來，聲發(fā)射信號逐漸呈收斂趨勢，降壓段沒有聲發(fā)射信號。每一升壓段信號出現(xiàn)的時刻大約在前一保壓載荷處，符合費里西蒂效應，可以進行費比的計算。從信號整體包絡線可以看出，信號在載荷約為4.9 MPa處出現(xiàn)第一個信號峰值，隨后信號隨載荷增加出現(xiàn)收斂。在載荷約為8.7 MPa處,信號達到第二個峰值，容器發(fā)出人耳可聽見的響聲，隨后信號隨載荷增加出現(xiàn)收斂。檢壓試驗后進行爆破試驗，1號容器爆破壓強為21.4 MPa。

2號容器進行了升壓式加載，其加載曲線及聲發(fā)射信號特征如圖4所示。

圖4 2號容器采用升壓式加載時的加載曲線及聲發(fā)射信號特征圖

從圖4可以看出，2號容器檢壓過程中聲發(fā)射信號在約4.8 MPa處達到峰值，隨后隨載荷增加出現(xiàn)收斂。在載荷約8.0 MPa處，信號達到第二個峰值，容器發(fā)出人耳可聽見的響聲，隨后信號隨載荷增加出現(xiàn)收斂。2號容器爆破壓強為20 MPa，其在承壓過程中無法進行費比的計算。

2.2 信號量分析

對兩臺容器檢壓過程聲發(fā)射信號參數(shù)進行統(tǒng)計，結果如表2所示。

表2 兩臺試驗容器聲發(fā)射檢測信號特征表

從表2,圖3,4可以看出，不同加載方式下的容器聲發(fā)射信號，基本在相同數(shù)量級，信號趨勢基本一致。信號在載荷約為4.8 MPa處達到第一個峰值，在載荷約為8 MPa處出現(xiàn)響聲，并伴隨第二個峰值的出現(xiàn)，隨后隨載荷增加信號出現(xiàn)收斂，容器質(zhì)量完好、一致。由此可知，兩種加載方式能獲得基本一致的試驗結果，試驗過程中容器的受力形式基本一致。

2.3 費比計算及分析

對進行階梯加載的1號容器，從2 MPa起計算相應載荷下的費比，結果如表3所示。

通常認為，費比大于0.95時，容器質(zhì)量較好。從表3可以看出，載荷小于6 MPa時費比均大于0.95，截荷為7 MPa和8 MPa時的費比均小于0.95。從圖3(b)可以看出，聲發(fā)射信號在載荷約為8.7 MPa處出現(xiàn)突增并形成峰值，容器發(fā)出人耳可聽見的響聲，表明容器在8.7 MPa處出現(xiàn)應力集中釋放。費比的降低可能是8.7 MPa處的應力即將釋放造成的。隨后費比重回0.95，10 MPa時費比為0.99。費比的這種隨應力釋放突降后又迅速回升的現(xiàn)象，表明殼體承載時所受損傷有限，損傷沒有進一步擴展，也表明載荷為8.7 MPa時出現(xiàn)的殼體聲響可能并不影響產(chǎn)品的內(nèi)壓強度。隨后進行的爆破試驗也驗證了這一點，該臺容器爆破壓強為21.4 MPa，高于設計的爆破壓強。

表3 1號容器各載荷下的費比

3 結語

(1) 往復式階梯加載方式可以獲得與升壓式加載方式一致的聲發(fā)射信息，可以對復合材料容器水

壓試驗過程的信號變化情況進行描述。除此之外，還可獲得與容器質(zhì)量相關的費比信息，且該加載方式對容器爆破壓強影響較小。

(2) 通過階梯加載方式可以計算各加載載荷下的費比，細觀表征殼體變化過程。試驗中，費比變化出現(xiàn)了先大于0.95、突降、后再次大于0.95的過程。費比的降低可能與容器即將出現(xiàn)的應力釋放相關，后能夠重新大于0.95，并最終升至0.99，表明費比暫時的降低所對應的信號增多，應力釋放對容器的強度影響有限。

文獻[2]中提到，可以通過費比的變化對殼體損傷情況進行判斷。而文章試驗中階梯往復加載方式的最高載荷約為爆破壓強的46%，還未到破壞載荷，因此，最高檢壓載荷下的費比為0.99，表明此時容器質(zhì)量未出現(xiàn)異常。后續(xù)可以考慮提高檢壓載荷，進一步驗證費比在殼體質(zhì)量評估中的應用。