多龄期桥梁斜拉索疲劳损伤演化声发射监测技术研究

斜拉索在斜拉桥体系中有着举足轻重的作用,但易遭受腐蚀和疲劳累积损伤。目前对多龄期斜拉索腐蚀疲劳损伤演化规律的研究还较少。拟采用声发射技术监测国内某大桥腐蚀斜拉索疲劳损伤演化过程。首先,通过拉伸试验,得到了斜拉索中腐蚀钢丝和未腐蚀钢丝的应力-应变关系曲线,其实验结果表明腐蚀对斜拉索力学性能有较大的影响;其次对大桥拆下来的多龄期斜拉索进行疲劳测试,运用声发射技术监测了它的动态损伤过程,获得了斜拉索整个损伤过程的声发射特征参数,根据声发射累积能量参数分析结果,得到了多龄期斜拉索疲劳损伤演化规律;最后,对斜拉索疲劳损伤演化的各个阶段声发射波形进行小波分析,提取出各自的特征波形,并运用FFT分析其频率分布范围,进一步分析了损伤的形成原因,实现了对多龄期斜拉索损伤声发射源类型的确定     

广义S变换钢材拉伸损伤声发射评价方法

声发射技术具有实时动态监测的优点,因此其应用越来越广泛,但采用声发射技术对材料和结构的损伤进行定量评估及寿命预测还没有解决办法。提出采用广义S变换对钢材声发射检测信号进行时频分析,通过分析信号时频特征可达到评价钢材损伤各个阶段的目的。首先通过理论分析和仿真信号处理研究,验证广义S变换具有更高时频分辨率;然后在钢材拉伸实验中建立声发射监测系统,采集钢材拉伸损伤各个力学阶段的声发射信号进行时域和频域特征分析;最后采用广义S变换处理,通过时频处理结果可获得钢材在各个损伤阶段的有明显差异的声发射信号时频特征,可为今后钢材使用过程中的损伤定量和寿命预测提供可靠参考依据。     

含裂纹钢试样在拉伸过程中的声发射特性

对于带有I型裂纹的SM490A钢和SUS304钢试样,通过测量其在拉伸断裂过程中的声发射特征参数及裂纹尖端特定点的温度,分析了裂纹尖端和塑性变形区域的力学特征。结果表明:声发射能量计数、振铃累积计数在裂纹扩展的各个阶段都有着明显的曲线特征,且曲线特征和屈服、强化阶段的应力-应变曲线基本吻合,因此可以用声发射能量计数、振铃累积计数来描述屈服、强化阶段的塑性变形情况;塑性变形率决定了变形至断裂过程中试样的温度变化;对于带有Ⅰ型裂纹的SM490A钢和SUS304钢,其声发射信号主要集中在塑性变形阶段和裂纹扩展阶段。     

带有槽缺陷游乐设施用Q235圆管构件弯曲破坏声发射特性

为研究带有槽缺陷游乐设施用Q235圆管构件破坏时声发射特性,利用声发射技术监测其三点弯曲破坏过程。通过对载荷时间曲线与声发射相对能量、幅度、振铃计数特征参数历程图的综合分析,可将其破坏过程划分为3个阶段。该过程声发射信号幅值主要集中在40～70 dB之间,且随缺陷长度增加,超过70 dB信号振铃计数明显增多,典型阶段特征参数峰值增大。相对能量—持续时间历程图中高持续时间、低能量信号来自于加载过程中的噪声干扰。声发射特征参数将缺陷微小变化对构件整体性能的影响量化,历程图变化与力学行为一一对应,建立声发射特征信号与弯曲力学性能和缺陷长度的联系,为声发射监测游乐设施损伤的判定提供依据。     

Q235B钢板拉伸损伤试验的声发射特性

制作完整和焊接两种Q235B板材试样,利用声发射技术对其拉伸过程的损伤特性进行监测,根据获得的拉伸过程载荷时间历程曲线和材料损伤声发射信号,结合金属材料力学行为特性,对材料损伤声发射信号的幅度、振铃计数以及能量等参数进行分析,获得了材料塑性屈服、强化变形以及断裂等损伤阶段所表现出的声发射特性,通过对声发射信号撞击幅度和能量的统计分析,初步得到了不同损伤阶段所对应的声发射参数分布范围。对比分析完整和焊接两种试样损伤所表现出的不同声发射特性,结果表明声发射特性参数能够很好地描述焊接对材料力学特性的影响,并能以声发射参数"双峰"分布的形式从微观上反映焊接对试样屈服所造成的影响。实验结果为声发射技术应用于起重机结构状态监测提供了参考数据。     

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。     

混凝土静态轴拉声发射试验相关参数研究

摘要：对声发射采集系统的硬件参数设置、滤噪参数设置以及声发射信号特征参数及其相关性进行了系统的试验研究。共进行了11组断铅人工激发源试验和13个混凝土试件的单轴静态拉伸试验,采用全数字化的参数-波形式声发射采集系统和三种不同型号的传感器同步采集并存储了试验过程中的声发射特征参数和波形,应用参数和波形分析相结合的方法以及波形事后提取分析等技术手段对数据进行分析。结果表明：前置放大器增益、阈值、波形采样率和采样长度、带通滤波器等有一合理参数取值;幅度、振铃、持续时间、声发射信号能量、绝对能量、信号强度这6个参数能够较好地体现混凝土轴拉损伤过程的阶段性特征;声发射幅度、振铃数、持续时间、上升时间和信号强度5个参数之间存在显著的相关性。研究成果可为采用声发射技术研究混凝土的损伤破坏过程提供参考依据。     

带不同深度缺陷Q235B板材拉伸过程声发射特征

通过对带有不同深度缺陷的Q235B板材的拉伸试验,利用声发射监测材料拉伸过程,获得材料拉伸过程中声发射信号,结合载荷时间曲线对声发射能量、撞击数、幅值等参数进行分析,研究各阶段声发射信号变化,以及不同深度缺陷声发射信号变化趋势。结果表明:声发射信号能够较好地反映损伤过程,屈服阶段声发射信号主要集中在下屈服点附近,随着缺陷的深度增加,下屈服点附近撞击数峰值有所下降;超过70 d B的幅值信号随缺陷深度增加而增多,其数量占总幅值数量的比例也随之增加;持续时间超过500μs的幅值信号分为A、B两类。试验结果对起重机械声发射监测的损伤判定提供依据。     

基于小波包分析的拉索损伤声发射信号特征提取

结合显式有限元和小波包分析技术开展了拉索损伤声发射信号特征提取的仿真分析。采用ANSYS/LS-DYNA模拟得到拉索损伤声发射信号的仿真信号,基于小波包能量谱对拉索声发射的有限元仿真信号进行了特征提取,从小波包分解层次、特征频带数量的选择及特征参数的噪声鲁棒性三个方面开展了讨论分析。结果表明:(1)通过选择适当的小波包分解层次,小波包能量谱可以精细地反映信号的特征;(2)选取少数特征频带就能使得小波包能量谱反映声发射信号的特征信息;(3)基于小波包能量谱的特征参数具有良好的损伤敏感性及噪声鲁棒性,能在强噪声影响下实现对拉索不同损伤类型的判别。     

SPCC钢滑动摩擦与拉伸声发射信号比较分析

为了将声发射技术应用在金属塑性加工中的摩擦监测中,以SPCC钢在拉伸过程与相对运动速度为100mm/min、正压力为7.5kg的摩擦过程产生的声发射信号特征为研究对象,分别用数据统计、平均值等方法对比分析了两种声发射信号的能量、振铃计数、幅度等参数。实验结果表明:SPCC钢拉伸的声发射能量值要远小于摩擦声发射能量值;拉伸的声发射振铃计数分布范围要略大于摩擦声发射振铃计数分布范围;拉伸的声发射幅度要小于摩擦声发射的幅度。最后对出现该现象的原因进行了探讨。     

Q345试件细观损伤的声发射量化评价实验研究

根据金属塑性材料细观损伤理论及微孔洞损伤机理,建立以孔洞扩张比V_G为损伤变量的声发射量化评价模型。以Q345钢圆棒缺口试件拉伸断裂过程为例,获取材料从屈服到断裂过程声发射信息;采用Gurson- Tvergaard-Needleman (GTN)模型,模拟得到Q345试件拉伸过程细观损伤参量数值解。结合声发射测试和数值模拟结果,建立Q345试件拉伸过程孔洞扩张比的声发射累积撞击计数N量化评价公式。结果表明:Q345钢从屈服到断裂过程N与V_G函数关系分为线性损伤及非线性损伤两个阶段,并确定当N达到128个时,材料处于损伤临界转变点。     

充氢Cr-Mo钢变形过程的声发射特征

对电化学充氢后的2.25Cr-1Mo钢进行拉伸实验,并在实时拉伸过程中采集声发射信号。结果表明:充氢后2.25Cr-1Mo钢抗拉强度为536.30MPa,下降约57MPa;断面收缩率为43.62%,下降约7%。拉伸断口上出现由氢脆引起的"白点"特征与准解理断裂形貌。充氢后试样拉伸过程弹性阶段的声发射信号活动增强,而屈服阶段的声发射信号活动减弱,变形过程的声发射信号累积绝对能量值要比未充氢试样低约1个数量级。充氢试样拉伸产生的声发射信号比未充氢试样的信号幅值降低约0.33mV,频宽降低0.06MHz。通过对声发射信号的分析发现,充氢试样变形的微观机制为氢促进位错发射与运动,而交叉滑移受到抑制。     

Acoustic emissions during tensile test of DC06 and HCT600X

In this paper the acoustic emission behaviour during tensile tests of the materials DC06 and HCT600X is studied. Two steels with different characteristics (mild deep‐drawing steel DC06 and high‐strength steel HCT600X) are consciously chosen to show the influence of the material properties on the generated acoustic emissions. The acoustic emission behaviour and the corresponding signals differ clearly from each other. In addition, the effect of the strain rate as well as the rolling direction (0°, 90°) on the acoustic emission behaviour is investigated. Both parameters have a significant influence on the resulting acoustic emissions during tensile deformation. Furthermore, a new criterion based on the acoustic emission parameter FCOG (centroid frequency) for detection of damage beginning in dual‐phase steels is developed. The criterion supports the assumption that during tensile deformation of dual‐phase steels two failure mechanisms, ferrite/martensite interface decohesion and martensite phase fracture, exist.     

3D C/SiC复合材料拉伸性能的声发射研究

采用声发射平均频率和相对能量以及幅值识别了3D C/SiC复合材料的拉伸损伤模式, 探讨了拉伸加卸载过程中材料的费利西蒂(Felicity)效应。通过分析具有不同拉伸性能试样的损伤过程, 研究了不同损伤模式的时间分布特征对材料拉伸性能的影响关系。分析结果表明, 3D C/SiC复合材料中基本不存在凯瑟(Kaiser)效应, Felicity比随着应力水平的升高而降低, 相对应力水平高于65%时出现突降。3D C/SiC复合材料高性能的决定性因素不是声发射波击总数, 而是高幅高能量信号发生的时间和次数。在加载前期(应变<0.15%)损伤较少是材料高强度的必要条件, 纤维簇断裂在加载中后期的分散分布有利于提高拉伸强度。      

碳纤维增强环氧树脂复合材料螺栓连接结构在拉伸载荷下损伤过程的声发射分析

采用声发射技术对不同几何尺寸的碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）螺栓连接结构在静力载荷下破坏行为进行了试验研究,比较了不同几何构型下的连接结构的破坏行为与声发射信号之间的映射关系。采用声发射技术对结构损伤过程中的声发射信号进行全程采集与转换,结合CFRP螺栓结构的载荷-位移曲线和宏/细观破坏形貌,分析了幅值、熵曲线和Andrews曲线与破坏行为之间的关系。结果表明:挤压与剪切破坏试件的载荷-位移曲线均呈现出较明显的塑性特征。结构发生挤压和剪切破坏时,声发射信号以中幅值信号为主,并伴随少量高幅值信号;结构发生拉伸破坏时对应的幅值为中幅值信号。根据熵曲线特征将CFRP连接结构破坏过程分为四个阶段,在损伤演化阶段发生纤维断裂、分层等失效模式,在结构失效阶段以分层失效为主。基于Andrews曲线分析得到挤压和拉伸失效模式在损伤演化阶段会出现多种损伤类型,剪切失效模式在结构失效阶段会出现多种损伤类型。      

预应力活性粉末混凝土受弯过程声发射特性

为研究钢纤维增强活性粉末混凝土（SF/RPC）复合材料的受弯破坏微观机制,对10根试验梁进行抗弯试验研究。基于声发射技术,采用宽频传感器对试验过程中的声发射信号和波形进行了采集。分析研究了SF/RPC材料的声发射特征参数,在对波形进行信号处理的基础上对波形频谱进行了深入研究。通过传感器之间互相发射和接受信号,对SF/RPC材料的声发射波速进行了测定。同时与普通混凝土（NC）材料声发射特性进行了对比分析研究。结果表明：相同荷载作用下SF/RPC的撞击累计数远大于NC梁,声发射活跃性高于NC材料;预应力SF/RPC梁的声发射特征参数与NC梁有着明显区别,SF/RPC短上升时间段（<30 μs）的声发射撞击平均比例为64.2%,明显高于NC的比例51.2%;SF/RPC材料波形频域特性也与NC材料明显不同;荷载作用前,SF/RPC材料内平均波速为4 342.8 mm/s,NC材料内平均波速为2 337.7 mm/s。通过引入Gutenberg-Richter理论,计算了声发射信号损伤参数（b_I）,对预应力SF/RPC损伤开裂过程与b_I值的关系进行了分析研究。本研究结果为有效识别SF/RPC材料的声发射特性提供试验依据。     

基于声发射技术的热障涂层损伤行为

热障涂层以优异的隔热、耐磨和耐蚀性而被广泛应用于航空涡轮发动机中。由于热障涂层体系内部结构复杂,服役环境苛刻,导致其失效不可预测。热障涂层系统内的表面开裂和界面分层是限制热障涂层长时间使用的瓶颈问题,且热障涂层的过早剥落失效会导致合金基体暴露在高温燃气中,这可能引起灾难性的后果。针对涂层的裂纹扩展行为,最重要也最直接的研究方法就是对热障涂层的整个失效过程进行实时无损检测,为寿命预测提供最直接的证据。声发射技术是一种实时动态的无损检测方法,可直接检测热障涂层失效过程中的裂纹扩展行为,因此在热障涂层失效检测领域得到了广泛的应用。然而,造成热障涂层损伤失效的因素较多,如失效机理复杂、失效形式多样,以及声发射信号本身的随机性和不可逆性,使得利用声发射技术检测热障涂层失效整个过程的研究还不够全面。目前,已通过声发射技术的参数分析和波形分析实现了对热障涂层损伤失效的定性、定量和定位分析,并对涂层寿命进行了预测。参数分析是以多个简化的波形特征参数来表示声发射信号的特征,即对一些特征量进行统计的过程,如能量、频率、幅度等。采用声发射特征参数法可定量评估热障涂层的损伤程度并对涂层的寿命进行预测。目前人们从连续损伤累计、某一特定参量变化等多个角度预测热障涂层的寿命,但是各种寿命预测模型主要是根据实验结果的经验或半经验公式,随着热障涂层的发展以及对热障涂层失效机理认识的不断加深,寿命预测模型也在不断发展与完善。波形分析是通过对声发射信号的时域波形或频谱特征分析来获取缺陷信息的一种信号处理方法。从理论上讲,波形分析应当能给出任何所需的信息,因而波形也是表达声发射源特征最精确的方法,目前主要通过小波变换把声发射波形信号从时域变换到频域,进而识别其损伤模式并实现声发射源的定位。本文对声发射技术进行了简要的介绍,总结了声发射技术参数分析和波形分析在热障涂层损伤模式识别、损伤位置的定位、损伤程度的定量评估和剩余寿命预测方面的研究进展,指出了当前研究中存在的问题并对其下一步的发展进行了展望。     

基于时序分析的拉深件成型裂纹的特征参数提取

研究金属拉深制件声发射信号特征参数的提取对判断成型制件的质量尤为重要。研究采用时序分析和MATLAB对经过小波包分解的声发射信号进行特征参数的提取。在此过程中利用时间序列的自相关系数和偏相关系数的拖尾性及截尾性来判断模型的类型;采用FPE (final prediction error,最终预测误差0029准则对模型进行定阶;以最小二乘估计法对模型的参数进行估计。最后,根据所建立的自回归谱模型提取声发射信号的特征参数。研究结果是通过此方法成功提取到了金属拉深制件声发射信号的特征参数及其分布图,为成型制件质量的判断提供了有利的依据。