， ， ，

(1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318；2.中國(guó)石化華東石油工程有限公司 江蘇鉆井公司，揚(yáng)州 225261;3.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院， 大慶 163318)

纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大、耐腐蝕、抗高溫及重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高精尖科研領(lǐng)域和其他行業(yè)中[1]。但由于復(fù)合材料長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境中工作，容易產(chǎn)生目視無法發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部損傷，復(fù)合材料的力學(xué)性能和使用壽命急劇下降，嚴(yán)重影響了使用性和可靠性[2]。因此，開展有效的檢測(cè)方法，研究復(fù)合材料的損傷機(jī)理，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的損傷評(píng)價(jià)顯得尤為重要。

目前，復(fù)合材料損傷檢測(cè)常用的方法有[3]：超聲檢測(cè)、X射線檢驗(yàn)、微波檢測(cè)、聲-超聲檢測(cè)和聲發(fā)射檢測(cè)等。相比其他檢測(cè)方法，聲發(fā)射檢測(cè)法可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)全程監(jiān)測(cè)，并且可以定位損傷區(qū)域，評(píng)估損傷的嚴(yán)重程度，已逐漸成為復(fù)合材料完整性評(píng)價(jià)的重要檢測(cè)手段[4-6]。聲發(fā)射的凱賽爾效應(yīng)和Felicity效應(yīng)對(duì)重復(fù)加載和卸載聲發(fā)射的特性有重要影響，反應(yīng)了材料的受載歷史[7]。Felicity比是指重復(fù)加載時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的載荷PAE與前次施加的最大載荷Pmax之比?；矢繜樀萚8]通過加卸載試驗(yàn)研究了Felicity效應(yīng)，其結(jié)果表明Felicity比作為一種定量參數(shù)，能較好地反應(yīng)復(fù)合材料中損傷的嚴(yán)重程度，可以作為損傷嚴(yán)重性的重要評(píng)定判據(jù)[9]。近年一種新型的超聲檢測(cè)方法引起了研究者的關(guān)注，即非線性超聲檢測(cè)技術(shù)。該種方法是一種對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)損傷變化的評(píng)估。SAGAR，BABY等[10-11]通過研究表明，材料早期力學(xué)性能退化與超聲波在材料中產(chǎn)生的非線性作用密切相關(guān)。因此，可以通過測(cè)量非線性參量，有效地表征材料早期損傷過程中微缺陷的變化和評(píng)估材料性能的退化程度。

筆者對(duì)T700型碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了加卸載試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中利用聲發(fā)射參量分析方法，并結(jié)合Felicity比和相對(duì)非線性系數(shù)，分析了不同損傷階段的聲發(fā)射信號(hào)特征。通過比較Felicity比和相對(duì)非線性系數(shù)之間的變化趨勢(shì)，為復(fù)合材料損傷過程的無損評(píng)價(jià)與檢測(cè)技術(shù)提供了新的思路。

1 非線性理論

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單一頻率的聲波進(jìn)入材料時(shí)，超聲波受介質(zhì)的應(yīng)力-應(yīng)變非線性關(guān)系的影響，將發(fā)生強(qiáng)非線性失真，超聲非線性響應(yīng)信號(hào)增強(qiáng)，產(chǎn)生二次諧波[12-13]。假設(shè)僅考慮一維縱波進(jìn)入到固體介質(zhì)中，CANTRELL等建立了固體介質(zhì)的非線性波動(dòng)方程[14-15]。

(1)

式中：ρ0為介質(zhì)密度；x為聲波傳播距離；u為介質(zhì)內(nèi)位于x點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)的位移；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間；K2為二階彈性常數(shù)；K3為三階彈性常數(shù)。

運(yùn)用微擾法[16-17]，求得一維非線性方程的近似解

u=u(0)+u(1)=A0sin(kx-ωt)-

(2)

式中：k=ω/c為波數(shù)；ω為角頻率；A0為初始基波振幅；t為傳播時(shí)間。

基波幅值為

A1=A0

(3)

二次諧波幅值為

(4)

可得出非線性系數(shù)表達(dá)式為

(5)

若入射聲波頻率和傳播距離是定值，則非線性系數(shù)僅與基波幅值和二次諧波幅值有關(guān)，即

(6)

2 試驗(yàn)過程

2.1 試樣制備

試件尺寸示意如圖1所示。試件所用的材料為T700型環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料板(簡(jiǎn)稱CFRP)，機(jī)械加工為I型試樣，分別以[0°/90°]和[0°]兩種鋪層方式制備復(fù)合材料試樣板，層數(shù)為13。為了防止夾具破壞試樣，在試樣兩端用樹脂膠黏貼鋁板加強(qiáng)片。

圖1 試件尺寸示意

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

T700型碳纖維復(fù)合材料加卸載試驗(yàn)系統(tǒng)由三部分組成，CMT-5000萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，非線性檢測(cè)系統(tǒng)。聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)由PAC公司生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射檢測(cè)儀，2/4/6型前置放大器，兩個(gè)WD(寬頻)型傳感器組成。聲發(fā)射采集系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：前置放大器增益值為40 dB，門檻值為40 dB,采樣率為1 MPS(每秒采樣百萬(wàn)次),撞擊閉鎖時(shí)間(HLT)為800 μs，峰值定義時(shí)間(PDT)為200 μs，撞擊定義時(shí)間(HDT)為400 μs。非線性檢測(cè)系統(tǒng)使用的是美國(guó)RETIC公司生產(chǎn)的 RAM-5000 SNAP 非線性超聲檢測(cè)系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)包括衰減器、高低頻濾波器、信號(hào)放大器、示波器、傳感器和計(jì)算機(jī)。圖2為加卸載試驗(yàn)系統(tǒng)框圖。

圖2 加卸載試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

2.3 測(cè)量方法

非線性超聲試驗(yàn)采用透射法，以寬頻接收方式采集超聲信號(hào)來進(jìn)行基波和二次諧波的測(cè)量。非線性超聲檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生單一頻率的脈沖串作為射頻信號(hào)，經(jīng)衰減器衰減，電壓調(diào)整到適用的范圍內(nèi)，再經(jīng)低頻濾波器去掉高頻成分后，激勵(lì)發(fā)射傳感器產(chǎn)生超聲波信號(hào)進(jìn)入試件。聲波信號(hào)與試件發(fā)生非線性作用后，被另一側(cè)的寬帶傳感器接收，信號(hào)中包含基波和高次諧波成分。接收信號(hào)分為兩路，一路信號(hào)直接返回非線性系統(tǒng)內(nèi)部；另一路信號(hào)經(jīng)過高頻濾波器和前置放大器處理后，返回非線性測(cè)試系統(tǒng)。利用計(jì)算機(jī)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，測(cè)量出信號(hào)的基波和二次諧波的幅值，進(jìn)而計(jì)算出非線性系數(shù)。

為了減少自身和隨機(jī)因素產(chǎn)生的諧波干擾，采用Hanning窗調(diào)制，使信號(hào)邊頻帶平滑，減少射頻信號(hào)中高次諧波成分。在厚度方向上所容納的周期數(shù)應(yīng)使發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)不發(fā)生重疊，多次試驗(yàn)后，最終確定周期數(shù)為3。由于非線性試驗(yàn)的特殊性，采用定制探頭。為了使發(fā)射頻率盡量單一，非線性試驗(yàn)發(fā)射端采用窄頻探頭，中心頻率選擇2.25 MHz。接收端需要接收基頻和倍頻信號(hào)，因此選用寬頻探頭，中心頻率選擇3.5 MHz。圖3為接收端采集的基波和二次諧波時(shí)域信號(hào)，圖4為基波和二次諧波頻域信號(hào)。

圖3 基波和二次諧波時(shí)域信號(hào)

圖4 基波和二次諧波頻域信號(hào)

2.4 試驗(yàn)方法

按照試驗(yàn)要求，合理地組裝試驗(yàn)裝置，搭建試驗(yàn)平臺(tái)(見圖5)。將試件加持在拉伸機(jī)上，檢查夾具是否符合要求，按照要求布置傳感器(見圖6)。在試件工作段內(nèi)一側(cè)兩端布置聲發(fā)射傳感器，要求傳感器中心在一條直線上，用絕緣膠帶固定，以真空脂作為耦合劑；在試件中心位置兩側(cè)對(duì)稱布置非線性超聲換能器，以甘油作為耦合劑。試驗(yàn)開始前，用鉛芯斷裂法(按標(biāo)準(zhǔn)QJ 2914-97) 對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

圖5 聲學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)裝置外觀

圖6 傳感器布置方式

圖7 加卸載曲線

未進(jìn)行加載試驗(yàn)前，采用有限振幅法測(cè)量超聲波與試件相互作用產(chǎn)生的基波和二次諧波幅值作為特征信號(hào)，利用式(6)計(jì)算試件的相對(duì)非線性系數(shù)β0，作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)。然后按照加卸載曲線(見圖7)進(jìn)行加卸載試驗(yàn)，控制方式采用位移控制，速率為1 mm·min-1，在每一載荷水平下進(jìn)行兩次加載和卸載。初始加載載荷為12 kN，保載時(shí)間為5 min，然后卸載至3 kN，保載時(shí)間1 min，再次加載至12 kN，保載時(shí)間為3 min。在第二次保載階段測(cè)量基波和二次諧波幅值，計(jì)算試件的相對(duì)非線性系數(shù)β，測(cè)量?jī)纱?，各自取平均值。重?fù)以上試驗(yàn)，加載級(jí)差為10 kN，加載至72 kN停止試驗(yàn)，然后以1 mm·min-1的速率進(jìn)行卸載，到試件不承受載荷為止。在每一次循環(huán)加卸載試驗(yàn)時(shí)，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從加載前開始監(jiān)測(cè)，至二次保載開始前暫停采集，待下次加載前恢復(fù)采集。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 非線性特性分析

為了確保試驗(yàn)測(cè)得的非線性信號(hào)是與試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用產(chǎn)生的，而不是由系統(tǒng)引入的，通過分析不同激勵(lì)電壓對(duì)諧波幅值的影響來驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。利用試驗(yàn)裝置，測(cè)量同一試件在不同輸入壓力作用下的基波和二次諧波幅值。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在同一試驗(yàn)條件下測(cè)量?jī)纱?，然后?duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合(見圖8)。由圖8可知，不同的激勵(lì)電壓下，二次諧波與基波幅值的平方具有很高的線性度。說明試驗(yàn)裝置前端未引入非線性信號(hào)，系統(tǒng)穩(wěn)定，可以進(jìn)行下一步非線性系數(shù)的測(cè)量。

圖8 二次諧波幅值與基波幅值二次方的關(guān)系曲線

對(duì)非線性檢測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別計(jì)算兩種不同鋪層方式下復(fù)合材料的相對(duì)非線性系數(shù)隨載荷的變化曲線(見圖9)。從圖9可以看出，隨著載荷的增加，不同鋪層方式的非線性系數(shù)都快速上升，這說明非線性系數(shù)對(duì)于復(fù)合材料力學(xué)性能的退化有很高的敏感性。

圖9 不同鋪層試件的非線性系數(shù)與載荷的關(guān)系曲線

通過圖9還可以看出，不同鋪層方式的復(fù)合材料在相同載荷的作用下，測(cè)量得到的相對(duì)非線性系數(shù)不相同，[0°/90°]鋪層的相對(duì)非線性系數(shù)均比[0°]鋪層的大，這說明相同載荷作用下，相比于單向鋪層試件，多向鋪層的復(fù)合材料損傷程度較大。鋪層方式對(duì)損傷模式影響較大，但僅僅利用非線性系數(shù)無法定量評(píng)估不同載荷下?lián)p傷的類型和嚴(yán)重性。

3.2 聲發(fā)射特性分析

在進(jìn)行Felicity效應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果分析時(shí)，對(duì)Felicity效應(yīng)判斷的關(guān)鍵是如何定義“明顯”的聲發(fā)射。因此美國(guó)增強(qiáng)塑料聲發(fā)射監(jiān)測(cè)委員會(huì)(CARP)推薦了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來定義明顯聲發(fā)射事件，并據(jù)之計(jì)算Felicity比[6]。

圖10為[0°/90°]鋪層方式試件的聲發(fā)射幅值和載荷隨時(shí)間的變化。從圖10可以看出，隨著載荷的不斷加大，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)明顯增多，且高幅值信號(hào)占比變大，說明損傷加劇。初次加載至12 kN時(shí)，信號(hào)幅值均低于65 dB，且恒載期間未見明顯聲發(fā)射信號(hào)。卸載后再次加載至12 kN，仍未產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，說明初次加載對(duì)試件未造成明顯損傷。加載至22 kN的過程中，以CARP推薦的強(qiáng)聲發(fā)射準(zhǔn)則為依據(jù)，當(dāng)載荷達(dá)到15 121 kN時(shí)滿足條件，得到此時(shí)的Felicity比為1.26。重復(fù)此方法，得到Felicity比與載荷的關(guān)系，F(xiàn)elicity比隨載荷的變化曲線及載荷與位移的變化曲線如圖11所示。

圖10 [0°/90°]鋪層方式試件的聲發(fā)射幅值和載荷隨時(shí)間的變化

圖11 Felicity比隨載荷的變化曲線及載荷與位移的變化曲線

從載荷-位移曲線中可以發(fā)現(xiàn)，在每次循環(huán)加卸載過程中，二次加載的曲線斜率明顯比初始加載的曲線斜率大，而當(dāng)下一次循環(huán)加載開始后，所加載荷大于上次所加最大載荷時(shí)，曲線斜率又基本與初次加載曲線斜率相同。這說明在加卸載試驗(yàn)過程中，碳纖維復(fù)合材料層合板與金屬材料相同，也表現(xiàn)出了加載硬化現(xiàn)象。

每次循環(huán)加載過程中，加載過程曲線和卸載過程曲線近似重合，說明加卸載過程中力學(xué)性能變化不大，很少有新的損傷產(chǎn)生。隨著載荷的增加，曲線重合度降低，說明加載后期損傷嚴(yán)重，力學(xué)性能變化較為明顯，加卸載過程中新的損傷明顯增多。

從圖11還可看出，隨著載荷的不斷增加，F(xiàn)elicity比下降趨勢(shì)較為明顯。為了更好地說明不同階段內(nèi)Felicity比與材料內(nèi)部損傷嚴(yán)重程度的關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)過程中采集的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了不同加載時(shí)間段內(nèi)不同幅值區(qū)間的聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)比例分布，幅值參數(shù)區(qū)間分別為小于60 dB，60～80 dB，80～100 dB，試件不同加載區(qū)間、不同幅值區(qū)間事件計(jì)數(shù)百分比如圖12所示。圖13為聲發(fā)射信號(hào)幅值-能量關(guān)聯(lián)圖。

圖12 試件不同加載區(qū)間、不同幅值區(qū)間事件計(jì)數(shù)百分比

圖13 幅值能量關(guān)聯(lián)圖

根據(jù)不同損傷階段內(nèi)Felicity比變化趨勢(shì)和聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)特性，得出如下結(jié)論：幅值分布區(qū)間在40～100 dB，低幅值信號(hào)試件計(jì)數(shù)占比較大且分布密集，但能量值較低，且Felicity比值均大于1。說明在此幅值范圍內(nèi)發(fā)生的損傷頻繁且種類較多，此階段內(nèi)試件自身存在的多種缺陷受拉力的作用進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致大量基體裂紋的產(chǎn)生。隨著載荷的增加，中振幅信號(hào)所占比例呈增大趨勢(shì)，信號(hào)的能量明顯增加。這是由于90°鋪層內(nèi)拉力方向與纖維方向垂直，層內(nèi)纖維與基體弱結(jié)合部位脫黏而產(chǎn)生裂紋。加載后期，高幅值信號(hào)逐步增加，而聲發(fā)射能量劇增到最大。Felicity比下降趨勢(shì)更加明顯，最低值為0.78。由于基體材料的承載能力遠(yuǎn)低于纖維的，加載后期基體早已失效，纖維成為直接承載體。90°鋪層中的纖維從基體中抽拔出來，0°鋪層中的少量纖維發(fā)生斷裂。

圖14 Felicity比和歸一化相對(duì)非線性系數(shù)與載荷的關(guān)系曲線

圖14為兩種鋪層方式試件的Felicity比和相對(duì)非線性系數(shù)與載荷之間的關(guān)系。通過分析Felicity比與載荷的變化關(guān)系，可以看出在相同載荷作用下，[0°]鋪層試件的Felicity比均大于[0°/90°]鋪層試件的Felicity比。根據(jù)Felicity比的定義，說明相同載荷施加在相同尺寸的試件上時(shí)，正交層合板始終比單向?qū)雍习宓膿p傷程度更加嚴(yán)重。從圖14可以看出，兩種鋪層方式試件的相對(duì)非線性系數(shù)隨著載荷的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，F(xiàn)elicity比隨著載荷的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，二者曲線的變化規(guī)律表現(xiàn)一致。這說明Felicity比和相對(duì)非線性系數(shù)可以有效地評(píng)價(jià)試件的損傷程度。

4 結(jié)論

(1) 通過試驗(yàn)得出Felicity比隨載荷的變化曲線，結(jié)合不同加載時(shí)間段幅值的分布圖和幅值-能量關(guān)聯(lián)圖，統(tǒng)計(jì)出在碳纖維復(fù)合材料加卸載試驗(yàn)中不同時(shí)間區(qū)間內(nèi)聲發(fā)射參數(shù)的分布規(guī)律，并分析出不同損傷階段內(nèi)的聲發(fā)射特性。

(2) 隨著載荷的增加，相對(duì)非線性系數(shù)變化趨勢(shì)明顯?？梢钥闯鱿鄬?duì)非線性系數(shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能退化較為敏感。

(3) 通過時(shí)域歷程分析，可得出損傷的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，結(jié)合聲發(fā)射Felicity比變化趨勢(shì)的分析，可得出結(jié)論：相對(duì)非線性系數(shù)可以表征材料中原先所受損傷或結(jié)構(gòu)缺陷的嚴(yán)重程度，后者可以作為試件靜力拉伸試驗(yàn)過程中損傷嚴(yán)重性的新的重要評(píng)定判據(jù)。但目前該方法只能實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定性分析，尚不能建立材料力學(xué)性能與非線性系數(shù)的量化模型。