基于混沌分形理论的金属疲劳损伤过程的特征分析

为了有效地分析金属疲劳损伤过程中裂纹扩展与演化的特征,提出利用混沌分形理论对蕴含疲劳裂纹扩展规律的超声非线性输出信号进行分析,用Lyapunov指数、K熵、关联维数等特征量对金属疲劳损伤过程的特性进行表征和评价。采用RITEC公司的RAM-5000系统获得具有不同疲劳损伤程度试件的超声非线性输出信号,计算疲劳过程中的Lyapunov指数、K熵、关联维数。分析结果表明金属疲劳损伤过程中超声非线性输出信号具有混沌特性;Lyapunov指数、关联维数、K熵等特征值随疲劳循环次数单调递增,当宏观裂纹出现后趋于饱和,说明疲劳损伤过程中试件内部的复杂程度和混沌特征逐渐增强;由疲劳过程中微裂纹的演化规律可知,混沌分形特征值可以有效地表征试件在疲劳过程中裂纹的变化规律和群体性行为。因此混沌分形理论可以有效地分析金属疲劳损伤过程中裂纹扩展与演化的特征,根据混沌分形特征值—疲劳循环次数的关系,为试件的疲劳寿命预测提供了一种新的分析方法。     

基于混沌理论砂轮磨钝过程声发射信号试验研究

针对砂轮磨钝过程中声发射信号的非线性特性,通过采集到的砂轮初期、稳定、严重三个不同磨损阶段的声发射信号,在混沌理论的基础上,提取砂轮磨钝过程声发射信号的最大Lyapunov 指数、关联维数以及K熵这三个特征量并进行计算、分析。结果表明,砂轮磨钝过程声发射信号的最大Lyapunov 指数、关联维数和K熵与砂轮磨损阶段存在着对应关系,可以用这三个混沌特征量来对砂轮的不同磨损阶段进行表征,为运用声发射信号实现砂轮磨钝过程的检测提供了一种新的思路。     

基于小波包能量谱的声发射信号处理技术

为实现材料早期结构疲劳损伤程度的监测与评价,提出采用小波包能量谱的声发射信号处理方法.首先,搭建金属疲劳损伤在线声发射监测系统,采集金属材料早期结构疲劳损伤产生的裂纹扩展与闭合的声发射信号;其次,选取适用于该声发射信号的小波函数和小波包分解层数,从而得到小波包分解后的各个频带的能量随疲劳周期数增加的变化情况的小波包能量谱图.实验表明:上述信号处理方法可获得能表征金属材料随着疲劳周期数增加的早期结构疲劳损伤程度变化的频带特征,为桥梁结构、建筑工程结构构件中常用钢材疲劳过程的声发射监测及早期疲劳损伤程度的加剧提供参考依据.     

金属切削过程刀具磨损信号的混沌特征

针对刀具磨损过程中声发射信号非线性特征,提出基于混沌理论的信号分析及特征提取方法。采用延迟时间法对去噪后的时间序列进行相空间重构,分析延迟时间及嵌入维数随刀具磨损的变化规律;用关联维数、最大Lyapunov指数及Kolmogorov熵三种混沌特征参数定量分析刀具在不同切削条件下随磨损量增大所呈现的变化规律。研究结果表明,刀具磨损声发射信号具有明显的混沌特征,三种混沌特征参数、延迟时间及嵌入维数与刀具磨损状态具有明显的对应关系,可用作刀具磨损状态监测、磨损量预测的特征参数。     

金属疲劳断裂的声发射检测技术

疲劳断裂是金属结构的主要失效形式,通过金属疲劳断裂时声发射特征参数的提取,建立了声发射特征参数和裂纹扩展速率之间的关系,由试样的三点弯曲疲劳试验,证明采用声发射技术监测疲劳裂纹的扩展,不仅与疲劳裂纹扩展的变化规律相似,而且能实时的捕捉到疲劳裂纹的产生。     

涂层接触疲劳损伤过程中的声发射小波分析

采集铁基合金涂层在不同接触疲劳损伤阶段的声发射信号,并采用dB10基本小波对其进行5层小波分解和重构,分析了疲劳损伤声发射信号的波形和频率特征。结果表明:裂纹萌生阶段的原始声发射信号以连续型为主,裂纹的稳定扩展阶段以混合型为主,裂纹的失稳扩展阶段以突发型为主;通过小波变换实现了将疲劳损伤声发射信号与干扰波分离,获得了高信噪比的疲劳损伤特征信息;在不同的疲劳损伤阶段,声发射信号的频率分布各不相同。随着疲劳损伤的加剧,各层的波形幅值呈增大的趋势,并且疲劳损伤频率分布范围也更加的广泛。     

压缩载荷下陶瓷材料声发射特性的实验研究

对陶瓷材料在两种压缩加载下破坏过程中的声发射特性进行实验研究。三点弯曲和巴西劈裂实验中,采用多通道声发射系统监测了陶瓷试件的破坏过程。对声发射信号进行分析,结果表明,声发射能量数、事件数、振铃数等参数都反映了材料内部损伤演化扩展直至试件宏观断裂的过程。利用声发射参数可以定位陶瓷试件的破坏位置;试件断面的宏细观分析表明,陶瓷的脆性破坏机制主要是颗粒附近的微裂纹开裂。     

起重机钢梁疲劳特性声发射监测实验研究

起重机钢梁作为主要承力部位关系到起重机的安全运行,目前仍无有效手段对其疲劳特性进行在线实时监测。采用声发射技术对钢梁材料Q345疲劳特性进行实验研究,首先通过动态弯曲疲劳实验获得材料疲劳裂纹萌生、扩展和断裂全过程的声发射检测信号;然后提取和分析声发射信号中的特征参数,经过比较各参数历程图,发现在幅值和事件历程图中可以反映材料疲劳裂纹整体演变过程,而能量、计数、上升时间和持续时间这4个特征参数更能反映出裂纹变化的重要转折点。此外对各个阶段声发射信号产生的原因进行分析和总结,为下一步采用声发射技术对钢梁材料损伤定量及寿命预测的研究提供参考依据。     

基于声发射和双谱分析的铝合金损伤原位监测研究

以列车车体材料7N01铝合金为研究对象,基于声发射和数字图像技术对7N01铝合金三点弯曲损伤过程进行了监测,采用传统的声发射参数与双谱法分析了7N01铝合金裂纹萌生及失稳扩展的声发射特征。结果表明:声发射能量和质心频率可有效预报7N01铝合金微裂纹的萌生。声发射信号的双谱等高线图显示两个频率成分之间的耦合关系,使得识别7N01铝合金三点弯曲过程中的不同阶段变得相对容易。7N01铝合金试样缺口尖端的损伤演变过程的数字图像监测结果,验证了声发射能量和质心频率对裂纹萌生的预测。实验结果显示声发射监测技术为裂纹演变行为的预测提供了依据。     

基于声发射技术的起重机箱型梁疲劳数据分析

基于声发射技术监测起重机箱型梁疲劳裂纹的扩展,对比Q235B标准试样和箱型梁在疲劳试验中的声发射累积计数/幅值vs.循环周次曲线、声发射累积计数/裂纹扩展速率vs.应力强度因子幅曲线和声发射信号频谱特征。结果表明:箱型梁和标准试样的声发射累积计数/幅值vs.循环周次曲线均呈现基本相似的特征。频谱分析显示,虽然箱型梁和标准试样的声发射累积计数曲线在第二、三阶段产生的主要信号的峰值频率分布范围不尽相同,但是在相应两阶段产生的主要信号的类型(第二阶段2种信号、第三阶段1种信号)、相应频谱的峰数(第二阶段出现单峰和双峰,第三阶段出现多峰)以及两个阶段频谱峰数之间的变化(第三阶段频谱峰数均多于第二阶段)均相似,说明两者的疲劳机制存在着诸多相似之处。因此,一定程度上,能够通过标准试样的疲劳机制来映射箱型梁的疲劳机制,并为大型构件的设计与应用提供指导。     

陶瓷材料破坏的声发射特性

采用先进的多通道声发射系统监测了AD95氧化铝陶瓷在三点弯曲加载下的破坏过程.对有缺口和无缺口两种试件的声发射能量数,事件数,振铃数随时间变化特征的对比分析,讨论了预制缺口对材料损伤破坏过程和断裂的影响.声发射幅值随时间的变化曲线直接反映了材料内微裂纹成核前期,成核,扩展至宏观裂纹形成和断裂过程.实验结果表明,声发射参数可以表征材料的内部损伤演化过程.     

316LN不锈钢断裂过程的声发射特性

用声发射技术监测316LN母材和焊缝的断裂过程得到了材料断裂破坏的声发射特征,并对声发射信号进行分类,研究了316LN不锈钢材料的断裂韧性。结果表明:316LN母材和焊缝的断裂是韧性断裂,母材的塑性优于焊缝;断裂过程在时域上可划分为5个阶段:裂尖张开阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、裂纹萌生阶段以及裂纹稳定扩展阶段;使用上升时间-持续时间关联分析法可将母材和焊缝断裂过程的声发射信号进行分类,可区分出噪声信号和有效断裂信号。     

金属材料声发射Kaiser效应的混沌特性分析

对金属材料进行反复加卸载的拉伸试验后通过多参数综合判定法确定Kaiser效应点。对金属材料Kaiser效应点进行混沌特性分析,包括关联维数以及Kolmogorov熵值。经分析发现,Kaiser点信号在一定的时间范围内具有混沌特征,并且Kaiser效应点信号的关联维数及Kolmogorov熵计算值比其前后一段时间内的计算值都低,说明Kaiser点处关联维数及Kolmogorov熵的降低意味着主损伤的发生。     

广义S变换评价材料早期疲劳损伤的声发射信号处理技术

为实现材料早期疲劳损伤程度的评价,提出以改进的Marr子波为核函数的广义S变换,结合时频图的信息量量化的声发射信号处理方法。搭建金属疲劳损伤在线声发射检测系统,采集金属材料早期结构疲劳损伤下的声发射信号,再对典型的声发射信号进行广义S变换处理来验证该研究中的广义S变换具有更高的时频分辨率,然后对金属疲劳过程中包含高应力和低应力状态下的声发射信号进行高分辨的时频分析,从而得到随着疲劳周期数增加的较准确、清晰的时频图;采用信息熵的量化方法对具有高分辨的时频图进行信息熵的量化。实验表明,上述信号处理方法可获得金属材料在早期结构疲劳损伤的时频信息变化特征,为用于建筑工程、桥梁结构构件常用钢材疲劳过程中的声发射检测及早期疲劳损伤程度加剧提供参考依据。     

基于分形理论的玻璃纤维增强树脂复合材料-混凝土组合梁损伤特性

工程实际中,玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)-混凝土组合梁往往出现较大的损伤而破坏,有必要对其破坏过程进行研究。为了研究此类构件的损伤特性,通过声发射仪器对1片GFRP工字梁和6片不同螺栓连接的GFRP-混凝土组合梁的四点弯曲试验加载的全过程进行了监测。并基于分形理论对试验梁加载过程的声发射能量信号进行了相空间重构,计算了试验梁各加载阶段的声发射能量信号分形维数值。研究表明,试验梁的声发射能量时间序列具有分形特征,且关联维数可很好地描述GFRP-混凝土组合梁损伤破坏的整个阶段;归纳各试验梁的声发射能量时间序列分维曲线的演化模式:纯弯段区域的损伤演化模式为“早期峰”至“低幅波动”;剪跨区的损伤演化模式为“低幅波动”至“持续高幅波动”;将试验梁加载过程的试验现象与分维值的演化相对照,则可将分维值的“持续高幅波动”作为试验梁失稳的前兆。根据关联维数,提出“损伤预警”的可能。其相应的分维值出现“持续高幅波动”,则损伤“预警点”出现,结构的承载力已达到其极限的70%左右,需要加强监测。      

声发射技术监测疲劳损伤探讨

在实验室的高频疲劳试验机上,对紧凑拉伸试样进行疲劳损伤试验,用声发射技术记录声发射参数的变化.使用小波分析识别降噪方法和外触发采集卡(只在裂纹扩展时才采集数据,裂纹闭合时不采集数据)等措施,将各种噪音分离出去,最后只有试样的疲劳损伤裂纹起裂和扩展的声发射波形信号,经处理后获得的疲劳裂纹扩展长度与应力循环次数关系,接近于人工测得的疲劳裂纹扩展长度与应力循环次数关系曲线.     

金属/玻璃钢柱壳胶接头拉伸实验声发射监测

为研究胶接长度对风电叶片柱壳胶接接头力学性能及声发射响应特征的影响,对金属/玻璃钢柱壳试件的拉伸实验全过程进行声发射监测。结果表明:柱壳试件拉伸过程基本为线性破坏,胶接接头的失效模式为界面破坏,损伤多发生在胶层边缘应力集中处。加大胶接长度,能有效增强金属/玻璃钢柱壳试件的胶接强度。较大的胶接长度对应的声发射信号幅度高、相对能量高、撞击累积数多。因此,在风电叶片复合材料叶根部位的安全评估时,可将声发射信号的动态变化特征作为评判依据。     

聚乙烯醇纤维混凝土温度疲劳损伤演化声发射监测技术研究

本文通过对掺入聚乙烯醇（PVA）纤维的混凝土试件进行温度疲劳声发射试验,来研究PVA纤维混凝土损伤演化机理。首先,通过温度疲劳试验,得到了PVA纤维混凝土损伤实时的声发射监测数据;然后,基于试验全过程的声发射特征信号,根据声发射能量、计数相关图,并通过比较不同掺量PVA纤维混凝土声发射信号,揭示了PVA纤维混凝土的损伤演化过程;最后,利用裕度指标分析声发射信号,对混凝土的损伤程度做出定性的评估;此外,通过计算声发射特征信号的Kurtosis指标和b值指标,发现PVA纤维混凝土的温度疲劳有三个明显的损伤阶段。     

模态声发射技术在构件疲劳裂纹检测中的应用

疲劳裂纹的萌生和扩展是机械零件在变载荷作用下的主要失效形式,在变载荷下出现疲劳裂纹的同时往往伴随着弹性波的扩散,以迅速释放其内部积累的应变能。使用近几年来得到迅速发展的模态声发射技术真实地获取疲劳裂纹的声发射波形,使接收到的声发射信号较完整地反映了声发射源的物理状态。在波形分析中采用参数分析法提取声发射波形特征,建立模态声发射参数和裂纹扩展速度之间的数学关系。由于综合采用了多种技术的优点进行信号分析、处理,因此根据声发射信号特征得到的结果将更加逼近实际状态。     

42CrMo钢疲劳裂纹扩展剩余寿命评估

以高频三点弯曲疲劳试验机为平台,进行42CrMo钢疲劳裂纹扩展试验研究,通过建立裂纹扩展剩余寿命评估模型,实现对存在裂纹的工程机械零部件剩余寿命的评估。采用显微成像测试系统实时采集并测量疲劳扩展裂纹,使用声发射系统监测整个疲劳裂纹扩展过程。结果表明:声发射幅值、能量等特征参数可以实时反应疲劳裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展等各个损伤阶段,并在疲劳断裂时产生急剧的突变;裂纹扩展速率的对数值与应力强度因子幅的对数值具有较高的线性相关性,建立了不同应力工况条件下裂纹扩展剩余寿命评估模型,以双排链轮轴为例进行裂纹扩展剩余寿命评估;随着疲劳应力的增加,裂纹扩展剩余寿命减小。