聲發射技術在復合材料機身框靜力試驗中的應用

祁小鳳，楊宇，康衛平，王倩，趙罡

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

聲發射(Acoustic Emission, AE)技術是20世紀50年代后才迅速發展起來的一種動態的無損檢測方法，它的出現，為技術人員進行無損檢測提供了一種嶄新的手段[1]。與常規無損檢測方法相比，聲發射具有動態監測、預先警報和覆蓋面大的優勢。通過運用聲發射技術，可以對正在試驗中的試驗件進行實時的監測，輔助其他無損檢測方法，對破壞的萌生點、擴展速度和擴展時間都有較全面的了解。AE是可以實現連續實時監測的方法之一。

聲發射不同于其他傳統的無損檢測技術，是一種實時的損傷評定技術。它基于伴隨著許多損傷機制而產生的快速局部應力再分布的彈性應力波監測，實時監測材料或結構在加載狀態下的微觀運動(其中包括裂紋擴展、夾雜的斷裂、滲漏，這些過程產生可檢的聲發射信號，并可用AE技術有效地監測)。當材料或零部件受外部力的作用時，由于材料或零件內部有缺陷存在或微觀的不均勻性，使該處所在部位承擔的應力高度集中，繼而導致了該區域應變能量的高度集中。由于材料總是力圖趨于能量最低狀態，即由不穩定的高能狀態必然過度到穩定的低能狀態。當外部條件作用增大到一定程度時，局部能量的高度集中使材料缺陷部位產生微觀屈服或變形，并通過如滑移、位錯、開裂、晶界突然改變取向等方式將集中的多余能量釋放出來。在能量釋放過程中，其中一部分以應力波的形式快速釋放的彈性能，應力波向外傳播形成聲發射信號。

在試驗過程中，聲發射的工作流程為[2]:聲發射傳感器采集來自試驗件的聲信號；該信號被傳輸到上位機，然后進行剔噪處理并提取出有用的聲發射信號；通過用各種聲發射參數(諸如能量、幅度、振鈴計數、事件計數、持續時間、上升時間、平均頻率、絕對頻率等，其中比較重要的參數包括AE撞擊數、事件數、AE幅值分布、AE能量分布等)對聲發射信號進行表征，然后對這些聲信號參數增量變化進行分析，我們就能預測裂紋的發展趨勢，最終對試件是否破壞做出判斷，并對裂紋的位置進行定位。

本文擬利用聲發射參數分析技術，揭示復合材料機身框對接試驗中的損傷起始、擴展、累積直至破壞的漸進過程，從而分析出復合材料機身框對接試驗中損傷演化過程及損傷類型(如基體開裂、界面分層、纖維斷裂等)及所對應的聲發射信號特征。其研究結果可以為復合材料結構驗證試驗提供損傷狀態實時預報，并可以為聲發射技術的進一步完善提供寶貴的數據來源及提高相關人員的聲發射技術儲備。

1 聲發射技術簡介

聲發射(AE)是一種常見的物理現象，它是材料局部因能量快速釋放而發出瞬態彈性波的物理現象[3]。在激勵(如力、溫度、電等)作用下，材料會出現局部應力集中，導致能量釋放從而引起聲發射波。

聲發射信號一般可分為突發型和連續型兩種類型。突發型聲發射信號是指在時域上可分離的、有明顯上升和下降形態的聲發射信號。斷續的裂紋擴展和纖維斷裂引起的聲發射信號一般為突發型信號。當材料中聲發射頻度增高而造成在時域上不可分離的程度時，信號就以持續不斷的連續型形態顯示出來，稱之為連續型聲發射信號。塑性變形和泄漏聲發射信號為典型的連續型聲發射信號。

聲發射信號的分析方法有波形分析法和參數分析法[4]。波形分析法是指以信號時域波形和頻譜為主的一種信號描述方法，適用于任何信號類型，具有抗干擾能力強、一一對應的優點。但是，波形分析法還具有復雜性高、工作量大的缺點，因而其在工程應用中難以大規模推廣應用。參數分析法是對信號波形進行參數量化描述的一種信號分析方法，具有簡單、可靠、快速、直觀的特點，目前廣泛應用于各種工程化檢測中，是最為成熟的聲發射信號分析技術。常用的聲發射信號特征參數有峰值幅度、能量、上升時間、持續時間、振鈴計數等[5]。

2 試驗系統

2.1 試驗件

試驗件外形如圖1所示，蒙皮、長桁、框、剪切角片和對接帶板均采用IMA_M21E單向帶材料鋪設，材料規范CMS-CP-309，單層厚度0.184 mm。框對接四點彎曲試件為C型薄框，曲框蒙皮半徑均為2 960 mm，截取跨度為28.455 °，寬度為620 mm，考核段為中間三個有效桁距。如圖2所示，試驗件考慮了預埋缺陷，預埋缺陷是在試驗件制造過程中引入的。

圖1 框對接試驗件示意圖

2.2 試驗系統

試驗項目為框對接四點彎曲試驗，在反彎載荷下，框內緣受拉，蒙皮受壓。對試驗件考核段的彎矩施加采用四點彎加載方式，如圖3所示。試驗件兩端放置在支持平臺上，從兩個支持端點往外再選兩個點作為加載點施加載荷，以形成力耦，達到反彎曲效果。

圖3 反彎曲加載及支持示意圖

由于框對接試驗件引入如圖2所示的預埋缺陷，因此為了全程監測此區域在試驗過程中的聲發射信號變化狀態，試驗前將一個聲發射傳感器布置在預埋缺陷位置附近，如圖4所示。

圖4 聲發射傳感器布置圖

試驗采用的聲發射監測系統基于美國物理聲學公司(PAC)的SAMOS PCI-8型聲發射系統實現。該系統配備了四塊采集卡，每一塊采集卡擁有8個通道，共32通道。此外，聲發射傳感器為美國物理聲學公司(PAC)的R15α型聲發射傳感器，中心頻率為150 kHz，頻率范圍為50～200 kHz；前置放大器同樣來自PAC公司，其增益設為40 dB。監測時，聲發射采集軟件AE Win 的關鍵設置為：門檻為固定類型、值為40 dB，前放增益為40 dB，模擬濾波器頻率范圍為100～400 kHz；AE定時參數：峰值定義時間(PDT)50 μs，撞擊定義時間(HDT)200 μs，撞擊閉鎖時間(HLT)300 μs，最大持續時間1 000 ms。

3 試驗結果與聲發射數據分析

針對試驗過程中記錄的聲發射信號，本文采用特征參數分析法對其進行數據分析。圖5為試驗全過程中的聲發射信號幅值-時間歷程圖，圖6為試驗全程中累積能量-時間歷程圖。兩幅圖中均存在著一些黑色的標線，其為試驗過程中做的一系列時間標簽，具體含義見下頁表。從圖5和圖6中可以看出，試件在加載過程中，其損傷演化過程表現出了一定的規律，以下具體分析。

圖5 試驗過程中聲發射信號幅值-時間歷程圖

圖6 試驗過程中聲發射信號累積能量-時間歷程圖

時間標簽具體含義

圖7為聲發射傳感器附近應變片在試驗過程中的響應曲線。綜合分析圖5～圖7的圖形規律，可以發現試驗件在靜力試驗過程中，其損傷演化過程存在一定的規律，具體可以將其分為五個階段，分別對應著損傷發展的五個時期和五種不同類型損傷。

圖7 1105#應變片的應變量隨載荷級數變化曲線

第一階段(0～82 s)為彈性變形階段。從圖5可以看出此階段未出現聲發射事件，復合材料無新損傷產生。該結論可通過圖7的曲線得到印證。圖7中第一個明顯轉折點的載荷級數為12，其對應的載荷量為60%載荷(從左邊表可知，60%載荷對應的聲發射歷程圖的時間位置為95 s)。轉折點之前的應變變化率較大，其為彈性變形，對應聲發射的彈性變形階段；轉折點之后的應變變化率較小，為塑形變形，這是由復合材料受損導致的。上述分析同時也說明了聲發射監測(83 s)可以早于應變監測(96 s)感知到試件的損傷萌生。

第二階段(83～335 s)為初始損傷階段。從圖5可以看出該階段的聲發射事件幅值基本位于65 dB以下，且聲發射活動釋放的能量處于較低水平(圖6)。大量低幅值、低能量的聲發射信號是由復合材料基體開始受損造成的，此時復合材料基體開始出現微裂紋。這階段的損傷類型主要包括：預埋缺陷造成弱連接處產生的分層損傷、基體的擠壓破壞和基體的原生微裂紋等。

在圖7的應變—載荷級數曲線中，損傷初始階段體現在13～328 s載荷級數之間，對應著60%載荷～42 kN載荷。結合左邊表可知，該區間處于聲發射監測時間的95～340 s。對比發現，聲發射監測(83～335 s)同樣提前于應變監測(95～340 s)感知損傷初始階段。

第三階段(336～500 s)為損傷平穩發展階段。從圖5、圖6可以看出，該階段聲發射活動較為頻繁，聲發射事件幅值增大，能量也開始加大，代表著損傷在不斷加強。從圖5看出，幅值在65～95 dB的聲發射信號明顯增加，同時圖6的能量—時間曲線也在快速增長。這階段的損傷主要來自于第一階段形成的基體原生裂紋進一步擴展，從而在裂紋尖端的前緣造成基體與纖維的分離，引起界面脫粘發生屈曲并導致試驗件失穩。仔細觀察圖5、圖6發現，在損傷平穩階段的后半段，聲發射事件的幅值有所回落并伴隨著能量增長速度放緩，這主要是因為前期發生了屈曲并釋放了大部分能量，使得局部應力集中現象大大緩解，從而致使試件損傷擴展相對平緩。

該階段在圖7的曲線中體現在329～453載荷級數之間，對應著42～45.4 kN載荷。結合時間標簽具體含義表可知，該區間大概處于聲發射監測時間的341～515 s。可看出，聲發射監測(336～500 s)同樣提前于應變監測(341～515 s)感知該階段。

第四階段(501～560 s)為損傷急速擴展階段。從圖6可以看出，此階段的聲發射信號能量急劇增加，且聲發射活動重新趨于頻繁(圖5)。這是由于隨著載荷的不斷增加，損傷繼續累積致使結構承載能力迅速下降，造成損傷快速擴展。在該階段，損傷開始失穩性擴展，基體損傷進一步加劇并且伴隨分層擴展及纖維斷裂。這一時期的損傷由于基體材料的塑性較小，在纖維斷裂前基體材料已完全斷裂，以致在這一階段的中期聲發射事件有一個明顯下降的過程。在后期，隨著載荷的進一步加大，纖維從基體中抽拔出來，甚至部分纖維發生斷裂現象，并且在斷口附近形成較大的應力集中，并將斷裂纖維卸下的應力傳遞到相鄰纖維，導致相鄰纖維相繼發生斷裂。這部分損傷主要發生在纖維和基體的界面處以及基體的斷裂面上，使得局部應力集中大大緩解。

在圖7中，此階段處于載荷級數453～503之間，對應載荷為45.4～46.718 kN，該區間大概處于聲發射監測時間的516～560 s。聲發射監測(501～560 s)同樣提前于應變監測(516～560 s)感知該階段。

第五階段(試件斷裂瞬間)為材料整體失效階段。試驗件中的大量增強纖維瞬間被拉斷，聲發射能量急速增加至最大值，試驗件發生破壞，具體在預埋缺陷D5處(圖2)被徹底拉斷并發出巨大轟響，此時材料處于整體失效階段。從圖7也可以看出試件斷裂瞬間，應變量陡然下降，這是因為應變片也同時破壞了。

4 結論

通過在復合材料機身框對接試驗上搭載聲發射監測技術，可看出在合理選擇監測部位的前提下，利用AE信號特征參數分析，可在一定程度上反應復合材料裂紋萌生、擴展及破壞的過程，表明了聲發射監測技術可以實現復合材料裂紋擴展的實時監控。

通過本次試驗，可得到以下結論：

(1)利用聲發射技術可以有效地對復合材料破壞過程進行實時監測。通過對聲發射信號的特征參數進行分析，可以明顯區別出復合材料在破壞過程中的損傷演化過程和損傷類型。

(2)通過分析聲發射歷程圖，并結合試驗過程的載荷-應變曲線，可知該試驗件的損傷演化過程分為五個階段：彈性變形階段、初始損傷階段、損傷平穩發展階段、損傷急速擴展階段及材料整體失效階段。

(3)各損傷階段的損傷類型主要為：第一階段無新損傷產生；第二階段主要包括預埋缺陷造成弱連接處產生的分層損傷、基體的擠壓破壞和基體的原生微裂紋等；第三階段主要包括基體裂紋、基體與纖維的分離及界面脫粘等；第四階段主要包括基體損傷、分層損傷及大量纖維斷裂等；在第五階段材料整體失效階段出現了大量增強纖維瞬間被拉斷、試驗件斷裂的現象。