混合型加载下钢纤维混凝土损伤过程的声发射参数分析

结合声发射技术,开展Ⅰ-Ⅱ混合型载荷作用下钢纤维混凝土带预制中心裂纹巴西圆盘(BDCN)破坏特性的实验研究,得到试件破坏过程中声发射特征参数的演化过程。运用机器学习算法,对声发射参数进行分析,揭示钢纤维混凝土的损伤机理。结果表明：依据累积声发射强度曲线及时间-载荷曲线的变化,BDCN试件破坏全过程可以划分为3个阶段：前两个阶段损伤的主要来源是混凝土基体中微裂纹的起裂和大量微裂纹汇聚扩展,最后一个阶段声发射源的主要机制则是钢纤维的脱粘及拉拔。运用高斯混合聚类算法,可以将损伤源划分为拉伸型裂纹和剪切型裂纹。其中,拉伸型裂纹主导了每个阶段的损伤,而剪切型裂纹对损伤起到了促进作用。使用支持向量机求得的两类裂纹的分界线方程表明,拉伸型裂纹与剪切型裂纹的分界线并不总是一条过原点的直线。     

基于小波变换的混凝土压缩损伤模式识别

为了实时获取混凝土中微裂纹扩展演化的物理信息,对实验采集的每一个声发射信号作小波变换,识别出3种典型模式的声发射信号;根据声发射信号的事件密度变化规律和脆性材料断裂理论,将混凝土压缩破坏过程分为微孔洞压缩闭合、裂纹萌生、裂纹生长和裂纹汇合4个阶段。根据混凝土材料中声发射信号频率与裂纹源尺寸呈反比例关系以及声发射信号在4个破坏阶段中的分布特征,将3种模式的声发射信号分别对应于裂纹萌生、裂纹生长和微孔洞压缩闭合、裂纹汇合。实验结果表明,裂纹萌生、裂纹生长和微孔洞压缩闭合、裂纹汇合对应的声发射信号的上升时间依次增长、频率逐渐降低,与应变能释放理论相符合。     

橡胶夹布膜片损伤声发射信号的小波识别

橡胶夹布膜片在安装过程中,因材料性能和安装因素,都会导致膜片的内部损伤,包括内部纤维的断裂、橡胶的剪切破坏。利用刀片在钢板上的摩擦来模拟密封过程中的部件摩擦,用刀片划割橡胶膜片导致膜片纤维断裂和膜片剪切破坏来模拟在膜片安装过程中橡胶膜片的损伤。通过声发射检测获得了两种情况下的声发射典型信号,并利用小波变换,对信号进行了时频域分析。结果表明这两种情况下的声发射信号在特定的连续小波变换下,在频率分布、能量分布、持续时间等方面具有明显的不同特征,可以利用这些特征对含纤维橡胶膜片在安装和使用过程中的损伤模式进行识别。     

静载拉伸和低周疲劳下Q235钢磁声发射特性

为揭示应力与磁声发射的关系以及明确磁声发射与铁磁性金属材料疲劳状态的关系,建立Q235钢静载拉伸的力-磁耦合模型和低周疲劳寿命模型,开展磁声发射的应用与理论研究。从有限元仿真的角度分析静载拉伸下磁声发射信号产生机理,根据低周疲劳仿真结果设计磁声发射低周疲劳试验。通过自行搭建的试验平台,验证建立的静载拉伸模型和低周疲劳模型,研究静态拉伸和低周疲劳两种状态下的磁声发射信号规律。结果表明：在静载拉伸下,在弹性范围内磁导率随着拉应力的增大呈现出线性增大的趋势,导致试件上的损耗增大,同时磁声发射信号变弱,磁声发射信号的均方根电压和包络面积呈下降趋势;在低周疲劳下,Q235钢低周疲劳寿命可以通过Smith-Watson-Topper模型进行预测,且Q235钢磁声发射信号的振幅、脉冲计数特征参数随着循环周次的增大也呈现出下降的趋势;研究成果明确了应力对磁声发射的影响以及疲劳状态对磁声发射的影响,为磁声发射的特征提取与模式识别提供了理论参考依据。     

声发射检测技术的发展及其在军工生产上的应用

声发射是物体內部在裂纹扩展、塑性变形或相变过程中产生应力或应变局部再分布而快速释放能量生成的瞬时高频应力波(或称声波)。声波的频率从几赫到几十兆赫。这种局部的应力或应变再分布常常是材料或焊接结构发生破坏的先兆。利用这种发射出来的     

HTPB推进剂/衬层粘接试件变形破坏过程试验与数值模拟

为得到粘接界面的力学行为和破坏模式,对HTPB推进剂/衬层粘接试件进行了单向拉伸宏观观察试验,获得不同拉伸阶段的变形图片,记录了界面破坏的全过程;使用界面元模型表征推进剂/衬层界面,数值模拟了粘接界面试件在单向拉伸作用下的脱粘过程。结果表明：界面拉伸变形破坏过程表现为裂纹的起裂、扩展和失效;粘接试件的拉伸应力-应变曲线表现出明显的非线性特征;数值计算结果与试验得到的应力-应变曲线及试件宏观变形失效形态一致。为得到粘接界面的力学行为和破坏模式,对HTPB推进剂/衬层粘接试件进行了单向拉伸宏观观察试验,获得不同拉伸阶段的变形图片,记录了界面破坏的全过程;使用界面元模型表征推进剂/衬层界面,数值模拟了粘接界面试件在单向拉伸作用下的脱粘过程。结果表明：界面拉伸变形破坏过程表现为裂纹的起裂、扩展和失效;粘接试件的拉伸应力-应变曲线表现出明显的非线性特征;数值计算结果与试验得到的应力-应变曲线及试件宏观变形失效形态一致。     

高聚物粘结炸药动态损伤破坏的数值刻画

高聚物粘结炸药(PBX)安全性评估离不开对其力学响应和损伤破坏的刻画。为了准确捕捉PBX炸药的力学行为,以Karagozian & Case模型框架为基础,开展了PBX炸药力学行为数值刻画的研究。修改Karagozian & Case模型中的损伤演化方式,考虑PBX炸药模量、损伤演化模式等压力依赖特性。结合法国原子能委员会Picart等给出的一系列试验数据,修正Karagozian & Case模型中的应变率效应,分析不同压力下PBX炸药拉压子午线之比的取值,处理结构损伤破坏过程中变形局部化的问题,提出数值计算中拉伸失效单元的处理方法。得到的模型很好地刻画了Steven 试验中炸药试件的成坑形貌,并成功捕捉到了炸药试件中的拉伸、剪切破坏图像。     

环境温度对Al-PTFE准静态压缩力学性能及反应特性的影响

为了研究环境温度对铝-聚四氟乙烯(Al-PTFE)反应材料准静态压缩力学性能及反应特性的影响,采用冷压和烧结工艺,制备了尺寸Φ10 mm×10 mm的Al-PTFE试件(Al与PTFE的质量比为:26.5∶73.5)。利用CMT5105微机控制电子万能试验机对不同温度下的试件进行了准静态压缩,得到了材料在相应温度下的应力应变曲线。结果表明,材料的力学性能及反应特性均受环境温度的影响。温度较低时(-18,0,16℃),材料偏脆性,屈服强度高于28.31 MPa,失效应变为1.31～1.49,试件呈剪切破坏;随着环境温度的提高(22,35,80℃),材料延性增强,屈服强度低于20.26 MPa,而失效应变提升至1.84～2.08。形变能力的提升使得试件失效时其吸收的能量沿着横向拉伸应力形成的张开型裂纹瞬间释放,引发试件剧烈反应。     

固体火箭发动机矩形粘接试件多角度拉伸过程变形测量与破坏模式

为了研究固体火箭发动机矩形粘接试件多角度拉伸过程的变形特点与破坏模式,按照航天行业标准QJ 2038.1A—2004制作了矩形标准试件,对其分别进行了0°、22.5°、45°、67.5°、90°角度拉伸试验。采用数字图像相关方法对拉伸过程试件变形进行测量,获得了多角度拉伸条件下粘接试件应变场分布;分析45°单角度拉伸条件下粘接试件破坏模式与多角度拉伸过程试件的应变演化规律。研究结果表明：0°拉伸时粘接试件强度最大,90°拉伸时伸长率最大;界面尚未脱粘时粘接试件的应力随外界拉伸应变的增大而线性增大,界面脱粘后应力随拉伸应变的增大而开始下降;界面法向方向的变形更容易导致界面的脱粘;拉伸角度的变化使界面关键位置发生不同程度的变形,造成粘接试件不同的破坏模式。     

等离子喷涂铁基涂层疲劳磨损裂纹捕捉技术研究

采用等离子喷涂制备了铁基涂层,使用声发射技术对涂层的疲劳磨损实验进行在线监测,捕捉裂纹动态信息,总结典型的声发射信号反馈类型,通过渗透探伤的方式对涂层表面微损伤区域进行表征,并采用聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）技术对涂层的微损伤区域进行亚表层分析探索失效机理。结果表明：涂层疲劳磨损过程中声发射信号反馈分为3个阶段,即磨合期、稳定期和突变期;结合渗透探伤技术可以有效锁定涂层表面微损伤区域,验证声发射信号反馈的准确性,可见通过声发射在线监测技术可以准确地捕捉涂层内部的开裂;FIB-SEM分析表明涂层疲劳磨损失效的起源是近表层微缺陷。采用等离子喷涂制备了铁基涂层,使用声发射技术对涂层的疲劳磨损实验进行在线监测,捕捉裂纹动态信息,总结典型的声发射信号反馈类型,通过渗透探伤的方式对涂层表面微损伤区域进行表征,并采用聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）技术对涂层的微损伤区域进行亚表层分析探索失效机理。结果表明：涂层疲劳磨损过程中声发射信号反馈分为3个阶段,即磨合期、稳定期和突变期;结合渗透探伤技术可以有效锁定涂层表面微损伤区域,验证声发射信号反馈的准确性,可见通过声发射在线监测技术可以准确地捕捉涂层内部的开裂;FIB-SEM分析表明涂层疲劳磨损失效的起源是近表层微缺陷。     

半穿甲弹丸在复合靶中爆炸破坏效应的实验研究

实验测试了半穿甲弹丸在混凝土面层和沥青混凝土面层的多层复合靶中的爆炸深度及爆炸后形成的弹坑面积和体积;对多层复合靶中弹坑的形成机理和复合介质的爆炸破坏机理进行了探讨。结果表明,弹丸在混凝土面层的多层复合靶中爆炸后,其混凝土面层上先出现径向裂纹,后出现环向裂纹,环向裂纹与径向裂纹贯穿形成破碎区,并且径向裂纹的范围更大;混凝土面层靶的炸深比沥青混凝土面层靶的炸深浅,在药量相同情况下,沥青混凝土面层复合靶中爆炸形成最大弹坑体积和弹坑截面积均比混凝土面层复合靶中的大。     

涂层断裂韧性的声发射辅助拉伸测量方法

涂层的断裂韧性与界面结合强度是表征涂层／基体材料体系力学性能的重要指标。但如何准确地测量涂层的断裂韧性和强界面结合的涂层／基体材料体系的界面结合强度至今仍存在困难。以铬涂层／钢基体材料为对象，采用声发射和显微镜实时动态检测技术与拉伸实验相结合的方法，探索了铬涂层的断裂韧性以及铬涂层／钢基体的界面剪切强度。根据相关力学模型和实验测量结果，得到铬涂层在室温下的断裂韧性为27. 41 J／m2．同时，发现在铬涂层裂纹饱和后界面开裂都未发生，获得了该种材料体系界面剪切疆度的一个下限值。     

主动围压和爆炸加载作用下岩石动态响应研究

为了研究爆炸冲击下深部岩石的破碎过程,建立主动围压约束及中心孔爆炸加载实验装置,利用动态测试技术、高速摄像和数字图像相关方法,得到动静组合加载下岩石内部的应变场和表面裂纹扩展过程。基于Johnson-Holmquist本构模型,对不同围压下岩石爆炸动态响应进行了模拟研究。对比结果发现：围压在圆柱试件环向形成压缩预应力,减弱了爆炸柱面波产生的环向拉伸破坏,破碎区半径、裂纹数目和裂纹几何尺寸随着围压的增大显著减小;距离炮孔越远,爆炸应力波强度降低、围压对裂纹的止裂作用逐渐增强。结合弹性力学和柱面弹性波理论对动静加载下应力场的变化进行分析发现,围压产生的环向压缩应力减小了爆炸形成的拉伸破坏,这一结论与实验结果相同。数值模拟结果表明：von Mises应力场随围压的升高而增强,而环向拉伸破坏随围压的升高而减弱,不同围压下的破碎半径和裂纹形态与实验结果基本一致。     

钢中绝热剪切带的动态损伤演化

采用大能量高速材料试验机冲击帽形试样的实验方法,研究了高速冲击条件下钢中绝热剪切带的损伤演化机制。试验结果表明,绝热剪切带的形成并不意味着剪切断裂的发生和宏观裂纹的形成。导致剪切带损伤的微观方式主要包括:基体接触区界面上的微裂纹、带内平直微裂纹、剪切带内与带成一定角度的微裂纹和孔洞。在这些微损伤方式的形核、长大过程中,绝热剪切带逐步损伤,宏观裂纹逐步形成。     

疲劳裂纹形核寿命的细观概率模型

裂纹形核是结构疲劳损伤演化的初级阶段。基于Tanaka-Mura微裂纹形核机制,提出恒幅交变载荷下结构表面疲劳裂纹形核寿命的细观概率模型。设细观尺度的晶粒尺寸、晶粒取向欧拉角为随机变量,借助Schmidt因子建立细观主应力与分解切应力之间的关系。考虑到晶粒取向随机性和紧邻晶粒影响因素,导出分解切应力变程的概率分布。进一步运用矩法和次序统计量模型获得任一晶粒中疲劳裂纹形核寿命和结构热区晶粒群多裂纹分散形核寿命的概率分布。数值算例验证了所提模型与方法的可行性和合理性。新模型在裂纹形核寿命研究中引入了细观物理参数和几何参数的概率统计信息,可为多晶体金属结构件的疲劳可靠性评估和抗疲劳概率设计开辟精细化分析的新途径。     

陶瓷材料破坏过程中的声发射源定位方法

大多数研究者利用声发射检测陶瓷损伤断裂现象时,主要通过声发射参数分析陶瓷破坏过程,但该方法无法对陶瓷内的裂纹位置进行定位。鉴于该情况,对Geiger算法的初值选择问题进行优化,将优化后的Geiger算法应用于二维平面定位、三维空间定位实验,并计算了该方法的定位精度,即：在200 mm×200 mm的平板上,声发射源定位平均误差为1.641 mm;在50 mm×50 mm× 100 mm的立方体上,声发射源定位平均误差为3.47 mm. 其中材料的性质,声发射检测系统精度以及定位算法本身都是产生的误差的原因。实验研究了AD95(95%)氧化铝陶瓷压缩破坏过程中的声发射特性,利用优化后的Geiger算法对材料压缩破坏过程中的声发射源进行空间定位,定位结果和陶瓷实际断裂位置一致,该方法可用于分析陶瓷内部裂纹扩展过程。     

基于磁记忆梯度张量信号的缺陷二维反演研究

金属磁记忆检测技术是一种能对铁磁材料早期微观损伤及应力集中进行有效诊断的无损检测方法,针对二维反演方法难以准确得到缺陷分布的问题,提出了磁记忆梯度张量分析方法。分析磁梯度张量的测量要素,设计了磁记忆梯度张量信号测量方案;将磁记忆信号水平梯度模量作为缺陷边界反演的特征量,通过水平梯度模量的极大值位置来确定缺陷的边界及分布。裂纹二维反演实验结果表明,该方法不受检测方向影响,可对缺陷二维分布进行准确反演。     

混凝土动态损伤与失效模型

在TCK模型的基础上开发了一个用于混凝土或钢筋混凝土碰撞或侵彻的损伤模型。模型分成两部分考虑：拉伸损伤用TCK模型描述,剪切部分则采用RHT模型。模型考虑了应变硬化、压力和J3相关的失效面、软化、拉伸损伤、压缩损伤和应变率效应。利用LS-DYNA程序的用户自定义材料模型开发并实现了模型算法,并用有关混凝土侵彻试验结果对模型参数进行了标定。计算结果表明,采用该模型可以较好地模拟混凝土或钢筋混凝土的碰撞或侵彻过程中开坑、穿孔和弹体穿孔后的孔壁剥离现象,对剩余速度的预测较为准确。