祁小鳳，楊宇，康衛(wèi)平，王倩，趙罡

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

聲發(fā)射(Acoustic Emission, AE)技術(shù)是20世紀(jì)50年代后才迅速發(fā)展起來的一種動(dòng)態(tài)的無損檢測(cè)方法，它的出現(xiàn)，為技術(shù)人員進(jìn)行無損檢測(cè)提供了一種嶄新的手段[1]。與常規(guī)無損檢測(cè)方法相比，聲發(fā)射具有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)先警報(bào)和覆蓋面大的優(yōu)勢(shì)。通過運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)，可以對(duì)正在試驗(yàn)中的試驗(yàn)件進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，輔助其他無損檢測(cè)方法，對(duì)破壞的萌生點(diǎn)、擴(kuò)展速度和擴(kuò)展時(shí)間都有較全面的了解。AE是可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法之一。

聲發(fā)射不同于其他傳統(tǒng)的無損檢測(cè)技術(shù)，是一種實(shí)時(shí)的損傷評(píng)定技術(shù)。它基于伴隨著許多損傷機(jī)制而產(chǎn)生的快速局部應(yīng)力再分布的彈性應(yīng)力波監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料或結(jié)構(gòu)在加載狀態(tài)下的微觀運(yùn)動(dòng)(其中包括裂紋擴(kuò)展、夾雜的斷裂、滲漏，這些過程產(chǎn)生可檢的聲發(fā)射信號(hào)，并可用AE技術(shù)有效地監(jiān)測(cè))。當(dāng)材料或零部件受外部力的作用時(shí)，由于材料或零件內(nèi)部有缺陷存在或微觀的不均勻性，使該處所在部位承擔(dān)的應(yīng)力高度集中，繼而導(dǎo)致了該區(qū)域應(yīng)變能量的高度集中。由于材料總是力圖趨于能量最低狀態(tài)，即由不穩(wěn)定的高能狀態(tài)必然過度到穩(wěn)定的低能狀態(tài)。當(dāng)外部條件作用增大到一定程度時(shí)，局部能量的高度集中使材料缺陷部位產(chǎn)生微觀屈服或變形，并通過如滑移、位錯(cuò)、開裂、晶界突然改變?nèi)∠虻确绞綄⒓械亩嘤嗄芰酷尫懦鰜?。在能量釋放過程中，其中一部分以應(yīng)力波的形式快速釋放的彈性能，應(yīng)力波向外傳播形成聲發(fā)射信號(hào)。

在試驗(yàn)過程中，聲發(fā)射的工作流程為[2]:聲發(fā)射傳感器采集來自試驗(yàn)件的聲信號(hào)；該信號(hào)被傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，然后進(jìn)行剔噪處理并提取出有用的聲發(fā)射信號(hào)；通過用各種聲發(fā)射參數(shù)(諸如能量、幅度、振鈴計(jì)數(shù)、事件計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、平均頻率、絕對(duì)頻率等，其中比較重要的參數(shù)包括AE撞擊數(shù)、事件數(shù)、AE幅值分布、AE能量分布等)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行表征，然后對(duì)這些聲信號(hào)參數(shù)增量變化進(jìn)行分析，我們就能預(yù)測(cè)裂紋的發(fā)展趨勢(shì)，最終對(duì)試件是否破壞做出判斷，并對(duì)裂紋的位置進(jìn)行定位。

本文擬利用聲發(fā)射參數(shù)分析技術(shù)，揭示復(fù)合材料機(jī)身框?qū)釉囼?yàn)中的損傷起始、擴(kuò)展、累積直至破壞的漸進(jìn)過程，從而分析出復(fù)合材料機(jī)身框?qū)釉囼?yàn)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(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)特征。其研究結(jié)果可以為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)提供損傷狀態(tài)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，并可以為聲發(fā)射技術(shù)的進(jìn)一步完善提供寶貴的數(shù)據(jù)來源及提高相關(guān)人員的聲發(fā)射技術(shù)儲(chǔ)備。

1 聲發(fā)射技術(shù)簡(jiǎn)介

聲發(fā)射(AE)是一種常見的物理現(xiàn)象，它是材料局部因能量快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的物理現(xiàn)象[3]。在激勵(lì)(如力、溫度、電等)作用下，材料會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致能量釋放從而引起聲發(fā)射波。

聲發(fā)射信號(hào)一般可分為突發(fā)型和連續(xù)型兩種類型。突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)是指在時(shí)域上可分離的、有明顯上升和下降形態(tài)的聲發(fā)射信號(hào)。斷續(xù)的裂紋擴(kuò)展和纖維斷裂引起的聲發(fā)射信號(hào)一般為突發(fā)型信號(hào)。當(dāng)材料中聲發(fā)射頻度增高而造成在時(shí)域上不可分離的程度時(shí)，信號(hào)就以持續(xù)不斷的連續(xù)型形態(tài)顯示出來，稱之為連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)。塑性變形和泄漏聲發(fā)射信號(hào)為典型的連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)。

聲發(fā)射信號(hào)的分析方法有波形分析法和參數(shù)分析法[4]。波形分析法是指以信號(hào)時(shí)域波形和頻譜為主的一種信號(hào)描述方法，適用于任何信號(hào)類型，具有抗干擾能力強(qiáng)、一一對(duì)應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。但是，波形分析法還具有復(fù)雜性高、工作量大的缺點(diǎn)，因而其在工程應(yīng)用中難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。參數(shù)分析法是對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行參數(shù)量化描述的一種信號(hào)分析方法，具有簡(jiǎn)單、可靠、快速、直觀的特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于各種工程化檢測(cè)中，是最為成熟的聲發(fā)射信號(hào)分析技術(shù)。常用的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)有峰值幅度、能量、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、振鈴計(jì)數(shù)等[5]。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件外形如圖1所示，蒙皮、長(zhǎng)桁、框、剪切角片和對(duì)接帶板均采用IMA_M21E單向帶材料鋪設(shè)，材料規(guī)范CMS-CP-309，單層厚度0.184 mm?？?qū)铀狞c(diǎn)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(gè)有效桁距。如圖2所示，試驗(yàn)件考慮了預(yù)埋缺陷，預(yù)埋缺陷是在試驗(yàn)件制造過程中引入的。

圖1 框?qū)釉囼?yàn)件示意圖

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)項(xiàng)目為框?qū)铀狞c(diǎn)彎曲試驗(yàn)，在反彎載荷下，框內(nèi)緣受拉，蒙皮受壓。對(duì)試驗(yàn)件考核段的彎矩施加采用四點(diǎn)彎加載方式，如圖3所示。試驗(yàn)件兩端放置在支持平臺(tái)上，從兩個(gè)支持端點(diǎn)往外再選兩個(gè)點(diǎn)作為加載點(diǎn)施加載荷，以形成力耦，達(dá)到反彎曲效果。

圖3 反彎曲加載及支持示意圖

由于框?qū)釉囼?yàn)件引入如圖2所示的預(yù)埋缺陷，因此為了全程監(jiān)測(cè)此區(qū)域在試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射信號(hào)變化狀態(tài)，試驗(yàn)前將一個(gè)聲發(fā)射傳感器布置在預(yù)埋缺陷位置附近，如圖4所示。

圖4 聲發(fā)射傳感器布置圖

試驗(yàn)采用的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)的SAMOS PCI-8型聲發(fā)射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)配備了四塊采集卡，每一塊采集卡擁有8個(gè)通道，共32通道。此外，聲發(fā)射傳感器為美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)的R15α型聲發(fā)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(shè)為40 dB。監(jiān)測(cè)時(shí)，聲發(fā)射采集軟件AE Win 的關(guān)鍵設(shè)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(shí)參數(shù)：峰值定義時(shí)間(PDT)50 μs，撞擊定義時(shí)間(HDT)200 μs，撞擊閉鎖時(shí)間(HLT)300 μs，最大持續(xù)時(shí)間1 000 ms。

3 試驗(yàn)結(jié)果與聲發(fā)射數(shù)據(jù)分析

針對(duì)試驗(yàn)過程中記錄的聲發(fā)射信號(hào)，本文采用特征參數(shù)分析法對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖5為試驗(yàn)全過程中的聲發(fā)射信號(hào)幅值-時(shí)間歷程圖，圖6為試驗(yàn)全程中累積能量-時(shí)間歷程圖。兩幅圖中均存在著一些黑色的標(biāo)線，其為試驗(yàn)過程中做的一系列時(shí)間標(biāo)簽，具體含義見下頁(yè)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(xiàn)出了一定的規(guī)律，以下具體分析。

圖5 試驗(yàn)過程中聲發(fā)射信號(hào)幅值-時(shí)間歷程圖

圖6 試驗(yàn)過程中聲發(fā)射信號(hào)累積能量-時(shí)間歷程圖

時(shí)間標(biāo)簽具體含義

圖7為聲發(fā)射傳感器附近應(yīng)變片在試驗(yàn)過程中的響應(yīng)曲線。綜合分析圖5～圖7的圖形規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)件在靜力試驗(yàn)過程中，其損傷演化過程存在一定的規(guī)律，具體可以將其分為五個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)著損傷發(fā)展的五個(gè)時(shí)期和五種不同類型損傷。

圖7 1105#應(yīng)變片的應(yīng)變量隨載荷級(jí)數(shù)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(xiàn)聲發(fā)射事件，復(fù)合材料無新?lián)p傷產(chǎn)生。該結(jié)論可通過圖7的曲線得到印證。圖7中第一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)的載荷級(jí)數(shù)為12，其對(duì)應(yīng)的載荷量為60%載荷(從左邊表可知，60%載荷對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射歷程圖的時(shí)間位置為95 s)。轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前的應(yīng)變變化率較大，其為彈性變形，對(duì)應(yīng)聲發(fā)射的彈性變形階段；轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后的應(yīng)變變化率較小，為塑形變形，這是由復(fù)合材料受損導(dǎo)致的。上述分析同時(shí)也說明了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)(83 s)可以早于應(yīng)變監(jiān)測(cè)(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(fā)射事件幅值基本位于65 dB以下，且聲發(fā)射活動(dòng)釋放的能量處于較低水平(圖6)。大量低幅值、低能量的聲發(fā)射信號(hào)是由復(fù)合材料基體開始受損造成的，此時(shí)復(fù)合材料基體開始出現(xiàn)微裂紋。這階段的損傷類型主要包括：預(yù)埋缺陷造成弱連接處產(chǎn)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(yīng)變—載荷級(jí)數(shù)曲線中，損傷初始階段體現(xiàn)在13～328 s載荷級(jí)數(shù)之間，對(duì)應(yīng)著60%載荷～42 kN載荷。結(jié)合左邊表可知，該區(qū)間處于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)時(shí)間的95～340 s。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)(83～335 s)同樣提前于應(yīng)變監(jiān)測(cè)(95～340 s)感知損傷初始階段。

第三階段(336～500 s)為損傷平穩(wěn)發(fā)展階段。從圖5、圖6可以看出，該階段聲發(fā)射活動(dòng)較為頻繁，聲發(fā)射事件幅值增大，能量也開始加大，代表著損傷在不斷加強(qiáng)。從圖5看出，幅值在65～95 dB的聲發(fā)射信號(hào)明顯增加，同時(shí)圖6的能量—時(shí)間曲線也在快速增長(zhǎng)。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(jìn)一步擴(kuò)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(fā)生屈曲并導(dǎo)致試驗(yàn)件失穩(wěn)。仔細(xì)觀察圖5、圖6發(fā)現(xiàn)，在損傷平穩(wěn)階段的后半段，聲發(fā)射事件的幅值有所回落并伴隨著能量增長(zhǎng)速度放緩，這主要是因?yàn)榍捌诎l(fā)生了屈曲并釋放了大部分能量，使得局部應(yīng)力集中現(xiàn)象大大緩解，從而致使試件損傷擴(kuò)展相對(duì)平緩。

該階段在圖7的曲線中體現(xiàn)在329～453載荷級(jí)數(shù)之間，對(duì)應(yīng)著42～45.4 kN載荷。結(jié)合時(shí)間標(biāo)簽具體含義表可知，該區(qū)間大概處于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)時(shí)間的341～515 s?？煽闯觯暟l(fā)射監(jiān)測(cè)(336～500 s)同樣提前于應(yīng)變監(jiān)測(cè)(341～515 s)感知該階段。

第四階段(501～560 s)為損傷急速擴(kuò)展階段。從圖6可以看出，此階段的聲發(fā)射信號(hào)能量急劇增加，且聲發(fā)射活動(dòng)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(xù)累積致使結(jié)構(gòu)承載能力迅速下降，造成損傷快速擴(kuò)展。在該階段，損傷開始失穩(wěn)性擴(kuò)展，基體損傷進(jìn)一步加劇并且伴隨分層擴(kuò)展及纖維斷裂。這一時(shí)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(fā)射事件有一個(gè)明顯下降的過程。在后期，隨著載荷的進(jìn)一步加大，纖維從基體中抽拔出來，甚至部分纖維發(fā)生斷裂現(xiàn)象，并且在斷口附近形成較大的應(yīng)力集中，并將斷裂纖維卸下的應(yīng)力傳遞到相鄰纖維，導(dǎo)致相鄰纖維相繼發(fā)生斷裂。這部分損傷主要發(fā)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(yīng)力集中大大緩解。

在圖7中，此階段處于載荷級(jí)數(shù)453～503之間，對(duì)應(yīng)載荷為45.4～46.718 kN，該區(qū)間大概處于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)時(shí)間的516～560 s。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)(501～560 s)同樣提前于應(yīng)變監(jiān)測(cè)(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(yàn)件中的大量增強(qiáng)纖維瞬間被拉斷，聲發(fā)射能量急速增加至最大值，試驗(yàn)件發(fā)生破壞，具體在預(yù)埋缺陷D5處(圖2)被徹底拉斷并發(fā)出巨大轟響，此時(shí)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(yīng)變量陡然下降，這是因?yàn)閼?yīng)變片也同時(shí)破壞了。

4 結(jié)論

通過在復(fù)合材料機(jī)身框?qū)釉囼?yàn)上搭載聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)，可看出在合理選擇監(jiān)測(cè)部位的前提下，利用AE信號(hào)特征參數(shù)分析，可在一定程度上反應(yīng)復(fù)合材料裂紋萌生、擴(kuò)展及破壞的過程，表明了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

通過本次試驗(yàn)，可得到以下結(jié)論：

(1)利用聲發(fā)射技術(shù)可以有效地對(duì)復(fù)合材料破壞過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)進(jìn)行分析，可以明顯區(qū)別出復(fù)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(fā)射歷程圖，并結(jié)合試驗(yàn)過程的載荷-應(yīng)變曲線，可知該試驗(yàn)件的損傷演化過程分為五個(gè)階段：彈性變形階段、初始損傷階段、損傷平穩(wěn)發(fā)展階段、損傷急速擴(kuò)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?lián)p傷產(chǎn)生；第二階段主要包括預(yù)埋缺陷造成弱連接處產(chǎn)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(xiàn)了大量增強(qiáng)纖維瞬間被拉斷、試驗(yàn)件斷裂的現(xiàn)象。