镁合金疲劳后的静态拉伸声发射特性研究

基于声发射对微损伤的高敏感性特点,本文对不同疲劳损伤程度试件静态拉伸过程中的声发射信号进行分析,得出了镁合金材料的早期损伤演化规律.首先,构建了对疲劳加载后的镁合金进行静态拉伸并同时采集声发射信号的试验方案,实现利用不同损伤程度下材料拉伸声发射性能的差异性来评价材料疲劳损伤的目的;其次,对所采集声发射信号的统计分析,研...     

混凝土材料三点弯曲破坏的声发射特性

为了研究碎石混凝土材料在不同应力状态下的声发射信号特征,在MTS材料试验机上对混凝土梁进行了三点弯曲实验,并利用先进的多通道声发射系统监测了混凝土梁在三点弯曲载荷下的破坏过程。通过对声发射信号的持续时间、振铃计数、撞击数进行滤波,将混凝土材料破坏过程的声发射信号分成七种类型,同时结合前人关于混凝土材料Kaiser效应的试验研究,将七种类型的声发射信号对应于不同的相对应力水平。研究结果表明,声发射信号的持续时间、振铃计数以及撞击数不仅可以表征混凝土破坏过程的类型,还可以表征混凝土材料所处的应力状态,从而为声发射技术在线监测混凝土材料提供了一种新的途径。     

周期荷载作用下煤岩声发射特征的颗粒流模拟

为研究周期荷载应力水平对煤样声发射特征的影响,采用PFC数值软件开展了3种不同应力水平的等幅周期荷载数值模拟试验,分析了周期荷载应力水平对煤样破坏循环次数、声发射计数及损伤演化特征的影响。研究结果表明:周期荷载作用下,煤样破坏过程中的声发射活动呈现初始、相对平静和活跃三阶段演化规律,且在煤样破坏前的周期荷载卸载阶段及低应力水平阶段几乎没有声发射活动;周期荷载上限应力水平的微小提高会加快煤样的破坏过程。提出了声发射比率的概念,当声发射比率大于1时,表明煤样即将发生破坏。声发射比率可作为预测现场工程煤体失稳的重要指标。     

纸页受力微损伤演化过程的声发射及多元统计特征

纸页受载后的损伤断裂行为涉及其使用性能,对其损伤断裂过程的研究不仅有助于揭示纸页破坏行为的物理本质,而且有助于对纸页质量及其生产、加工工艺作出更加科学合理的评定。本文基于声发射(Acoustic Emission,AE)实验研究纸页内部微损伤演化过程,给出了评估纸页宏观损伤断裂性能的定量描述方法。首先,根据AE信号与微损伤事件之间存在本质上的关联性,通过采集和观测纸页试样受载过程中的AE信号来研究纸页损伤断裂的基本特征;其次,针对所采集AE信号的数据量大、蕴含信息丰富导致数据分析和处理困难的特点,本文采用多元随机变量的分析方法。利用概率熵和Andrews曲线法等统计分析手段对AE数据展开研究分析,并最终利用一条损伤状态轨迹曲线实现了对纸页微损伤演化过程的完整宏观描述。结果表明,纸页微损伤演化过程呈现明显阶段性变化特征;Andrews曲线的聚类结果有效地区分了不同损伤阶段的相似性和差异性,同时,不同损伤阶段中纸样的微观形貌观测提供了实验性的证据。本文以一种典型的牛皮箱板纸为试件,验证了上述方法的有效性。     

基于声发射特征的充填体损伤演化研究

为探究声发射信号与充填体细观破坏之间的关系,研究声发射特征振铃计数、能率和应力随时间的变化规律,进一步揭示充填体损伤演化过程,进行了全尾砂胶结充填体声发射特性力学实验。基于损伤力学理论并引入有效损伤率,得到基于声发射累积事件率的损伤变量,然后构建了充填体损伤本构方程。研究结果表明,声发射振铃计数和能率在不同受力阶段呈现不同变化,与充填体内部孔隙及裂纹损伤演化过程有密切关系。振铃计数在弹性阶段前期达到最大,屈服阶段逐渐降低至最小;有效损伤率值与理论峰值应力呈负相关;与实验峰值应力相比,理论峰值应力出现于应变较大处;充填体为高损伤介质,当有效损伤率取值趋近于1时,理论模型曲线与实验曲线变化趋势相同,可以较好的描述充填体应力应变关系。     

充填体声发射分形特征及损伤演化试验研究

为探究不同配比胶结充填体声发射分形特征与损伤演化间的耦合关系,量化分析充填体损伤度,本文开展了胶结充填体试样的单轴压缩声发射试验。通过比对剖析声发射信号分形特征,归纳出各配比充填体的破坏形式,并拟合各破坏类型充填体的声发射累计能率曲线,推导其与应变的耦合关系,借助连续损伤力学及数理统计理论建立基于累计声发射能率的损伤本构方程,并对其进行验证。研究表明,充填体的声发射特征与应力-应变力学响应具有密切联系,其损伤破坏都是从整体无序逐渐向局部有序发展的。随着灰砂比不断减小,充填体的破坏模式逐渐从脆性向延性转化发展。通过试验验证,不同破坏类型充填体分别建立的损伤本构方程准确度较高,可实现充填体的损伤量化计算。     

不同应力路径下盐岩破坏声发射时序特征研究

利用RMT-150B岩石力学多功能系统和声发射监测系统,对不同应力路径下的盐岩破坏过程进行试验研究。在试验结果基础上,分析了盐岩常规单轴加载、分级加卸载和多级加载过程中的声发射时序特征和变形特征。试验表明:盐岩常规单轴加载变形表现明显的阶段性特征,声发射信号阶段性特征也比较明显;分级加卸载试验中,存在比较明显的记忆效应,在低应力水平有较明显的声发射Kaiser效应,而在70%峰值应力卸载再加载时,则出现Felicity效应;多级加载试验表明,在低应力水平稳压对盐岩造成的损伤不大,很少有新生裂纹;而在高应力水平稳压时,会有大量由新生微裂纹和裂纹扩展产生的声发射事件。     

Q345钢和H62黄铜声发射信号及力学行为的关系研究

本文利用声发射装置采集了Q345钢和H62黄铜两种材料拉伸过程中的动态声信号。结果发现两种材料在线弹性阶段末端都会产生大量声发射信号,但有明显屈服流动的Q345钢在硬化阶段的开始时段也会产生信号峰值。为了研究两种材料在拉伸变形过程中声发射的微观机制,本文采用扫描电镜下原位拉伸实验方式观察了两种材料在不同拉应力下晶粒内部滑移线的产生和演变过程。在此基础上总结出了两种材料声发射信号与力学行为的关系,指出应以第一次声发射信号的峰值对应的工作应力作为材料屈服应力及其合理性,并按此标准给出H62黄铜的屈服应力为193MPa。     

含冲击损伤复合材料层压板压缩破坏机制的声发射特性研究

复合材料层压板在压缩破坏过程中包含了丰富的声发射信息.为了研究含冲击损伤的复合材料层压板的压缩破坏机制,采用声发射观察层压板的压缩破坏过程,通过分析声发射信号的特征规律,表征了在压缩载荷下材料损伤的形式及其演化过程.结果表明:通过对声发射参数(撞击计数、能量、幅值、事件位置)和载荷曲线进行综合分析,发现损伤的发展过程经过了初始阶段、平稳扩展期和断裂阶段,冲击造成的分层区域最先出现屈曲并最早破坏;在损伤初始阶段和平稳扩展期间,损伤是一种渐进式的增长,层压板具有一定的承载能力;在断裂阶段损伤快速扩展,层压板的承载能力迅速下降,在出现纤维密集断裂的现象后整体破坏.     

常温下16MnR板材焊接缺陷声发射特性研究

对预制的含有未焊透缺陷的16MnR焊接矩形试样,进行了室内声发射试验.分析了试验中记录的试样拉伸曲线和声发射信号,阐述了试样声发射信号的分布情况和相应的应力状况.通过缺陷的断裂力学计算,预测了产生大量声发射信号的应力值,将声发射信号的产生和试样所受的应力状况有效地联系起来,对含缺陷容器的声发射检测有一定的指导作用.选择合适的小波函数,分析了试验中声发射信号的不同参量,对比了声发射信号不同参量在小波分析中的差异,得出了声发射信号的时域内分布特征和相应的应力状况.     

基于巴西劈裂试验的岩石声发射特性及断口特征分析

为综合研究岩石在拉伸状态下的破裂机理,对花岗岩、灰岩、砂岩、大理岩4种岩石进行巴西劈裂试验,采用PCI-2声发射仪采集试样破裂全过程的声发射信号,利用扫描电镜研究试样断口的微观结构,并探讨了岩石破裂声发射信号与断口微观特征之间的关系。试验结果表明:岩石破裂声发射信号的特征与断口微观特征可联合表征岩石在劈裂荷载下的破坏机理。在劈裂荷载下,岩石破裂产生的声发射信号的累计振铃计数呈稳定增长期、突增期、平静期3个阶段,且峰值频率呈带状分布,分别集中于0~50kHz,100~150kHz及300kHz上下3个频率段;岩石断口微观特征为典型的脆性拉伸断口样貌,且断口花样的复杂程度与振铃计数率呈正相关,断口破裂尺度与峰值频率呈负相关。     

平纹编织陶瓷基复合材料面内剪切细观损伤行为研究

采用约西佩斯库(Iosipescu)纯剪切试件,研究了平纹编织SiC/SiC和C/SiC复合材料的面内剪切应力-应变行为和细观损伤特性.通过试验获得了材料不同方向上的单调和迟滞应力-应变行为,对比分析了两种材料的剪切损伤特性,结果表明材料的剪切损伤演化规律受热残余应力水平影响严重.由试件断口电镜扫描结果发现剪切加载状态下桥连纤维承受显著的弯曲载荷和变形,据此提出了纤维弯曲承载机制,并结合裂纹闭合效应分阶段阐释了材料的剪切迟滞环形状.基于材料的剪切细观损伤机制,通过两个损伤变量表征了材料的剪切损伤演化进程,得到了材料的面内剪切细观损伤演化模型.对比发现2D-C/SiC复合材料45°方向基体裂纹的起裂应力明显小于2D-SiC/SiC复合材料,而两者0°/90°方向裂纹的起裂应力基本相同.      

多次冲击荷载作用下花岗岩动态累计损伤特性

利用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)系统,对花岗岩进行多次循环冲击压缩试验,并结合岩石声发射监测研究花岗岩在动态冲击下的累计损伤特性。利用超动态应变仪获取的波形信号分析试样中的纵波通过时间,进而计算岩石的应力波波速,并利用花岗岩应力波波速的变化来表征试样在循环冲击过程中的损伤特性。通过分析试样每次加载过程中的能量变化,发现多次冲击加载过程中的岩石损伤量变化程度与试样在单次加载过程中的吸收能大小有关,试样的吸收能越大,花岗岩冲击后的损伤变化量越大。花岗岩在多次冲击加载过程中的动态抗压强度随着冲击次数的增多而减小,但随加载应变率的增大而增大。基于冲击加载过程中的应力时程曲线及声发射信号特征,发现声发射事件峰值计数随着加载次数的增多而增大,表明花岗岩在多次冲击过程中新生裂纹在逐渐增多,花岗岩在每次加载过程中的声发射事件峰值点位于试样应力峰值点附近,且其在动态冲击下的声发射事件具有突发性,前兆信息不明显的特点。     

充填体真三轴加卸荷全过程声发射序列分形特征试验研究

针对复杂应力条件下充填体因开采导致的瞬态裸露破坏失稳问题，开展充填体真三轴加载单向卸荷试验，并结合声发射监测手段及关联维数理论研究充填体因加-卸荷引起的内部损伤特征演化规律。研究结果如下：在不同应力路径的真三轴条件下，充填体均产生X型共轭剪切破坏，且剪切破坏程度受应力载荷影响较大；基于声发射振铃计数率的关联维数能够较好地描述试验过程中充填体内部结构演变过程，且峰后卸荷时呈先增大后减小的规律；当声发射振铃计数率进入平静期且关联维数进入快速下降阶段时，充填体进入失稳阶段。本文研究成果可以为矿石崩落致使充填体侧面裸露时的破坏研究提供参考。     

含孔复合材料层合板静拉伸损伤演化的实验和表征方法

为了深入探究复合材料层合板结构的损伤机理和损伤演化,应用声发射技术和图像相关技术同步实时监测含孔碳纤维复合材料层合板试样在静拉伸过程中的损伤演化。实验结果表明,试样表面应变场呈现局部化特征。对应变集中带在加载方向的应变值进行了统计分析,获得了应变场的特征统计量(标准差)随加载的演化模型。层合板损伤时产生声发射信号的峰值频率大小能够有效区分复合材料的损伤模式,由此,建立了基于损伤模式累积声发射数的损伤演化模型。通过对应变场演化模型和声发射损伤演化模型的分析,可以将复合材料的损伤演化分为损伤初始阶段、损伤平稳扩展期、损伤严重阶段三个部分。统计分析结果表明:在损伤严重阶段,基于声发射事件数的各种损伤的损伤变量和局部应变场标准差快速增长,因此局部应变场统计标准差可以作为后期局部损伤严重程度的识别指标。     

三轴压缩岩石细观损伤扩展特性CT实时检测

利用作者最新研制的与CT（computerized tomography)机配套的专用加载设备,完成了三轴压缩荷载作用下岩石破坏全过程的细观损伤扩展规律的实时CT检测试验。得到了在不同荷载作用下岩石中微孔洞被压密、微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏、卸载等各个阶段清晰的CT图像。对得到的CT数、CT图像等数据进行了分析,引入了初始损伤影响因子和闭合影响系数,定义了一个基于CT数的损伤变量,基于岩石细观损伤演化CT试验的结果,给出了岩石应力损伤门槛值,将岩石应力应变全过程曲线分为5段,得到了岩石损伤扩展的初步规律。     

共混高聚物三种不同动态损伤量化方法的比较

以一种聚丙烯与马来酸酐的接枝共聚物(PP-g-MAH)为相容剂的聚丙烯/ 尼龙共混高聚物为例,在SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)装置上进行了高应变率冲击实验,用三种不同的方法对材料内部的动态损伤演化规律进行了研究.其一以冲击后试样的弹性模量降低来表征损伤演化,得到了其损伤值随应变及应变率变化的曲线;其二以应力响应的降低来表征损伤演化,采用基于ZWT(朱-王-唐)非线性粘弹性模型并引入损伤参量的方法来对大变形条件下本构中损伤部分的贡献进行了量化;其三运用BP(Back-Propagation)神经网络技术,预先不作任何本构假定,只根据SHPB试验数据,通过不同的输入输出模式对PP/PA共混高聚物在冲击载荷下的本构响应和损伤演化规律等进行了辨识.在此基础上,对三种不同角度得出的损伤演化研究结果进行了比较和讨论.     

基于小波的蜂窝板面超高速撞击声发射信号损伤特征提取

为了通过超高速撞击声发射信号识别蜂窝结构受空间碎片撞击后的损伤状态,提出一种基于小波的损伤特征提取方法。采用超高速撞击声发射技术,以铝合金蜂窝板为研究对象,通过超高速撞击实验获取实验信号。分析超高速撞击声发射信号的时频特征及板波模态等特征,采用Daubechies小波变换将信号中模态分离,根据小波系数计算各尺度小波能量分数及小波能量熵特征,分析各特征参数与损伤间的关系,并通过Kruskal-Wallis检验方法验证各特征值对损伤识别的贡献。结果表明:小波能量分数和小波能量熵具有一定的损伤模式分类能力;250 kHz以上的小波能量分数具有良好的损伤模式分类能力;非超声部分的低频信号对损伤识别存在干扰。     

半结晶聚合物损伤演化的实验表征与数值模拟

损伤本构模型对研究材料的断裂失效行为有重要意义, 但聚合物材料损伤演化的定量表征实验研究相对匮乏. 通过4种高密度聚乙烯(high density polythylene, HDPE)缺口圆棒试样的单轴拉伸实验获得了各类试样的载荷-位移曲线和真应力-应变曲线, 采用实验和有限元模拟相结合的方法确定了HDPE材料不同应力状态下的本构关系, 并建立了缺口半径与应力三轴度之间的关系;采用两阶段实验法定量描述了4种HDPE试样单轴拉伸过程中的弹性模量变化, 并建立了基于弹性模量衰减的损伤演化方程, 结合中断实验和扫描电子显微镜分析了应力状态对HDPE材料微观结构演化的影响. 结果表明缺口半径越小, 应力三轴度越大, 损伤起始越早、演化越快; 微观表现为: 高应力三轴度促进孔洞的萌生和发展, 但抑制纤维状结构的产生;基于实验和有限元模拟获得的断裂应变、应力三轴度、损伤演化方程等信息提出了一种适用于聚合物的损伤模型参数确定方法, 最后将本文获得的本构关系和损伤模型用于HDPE平板的冲压成形模拟, 模拟结果与实验结果吻合良好.      

延性金属层裂自由面速度曲线特征多尺度模拟研究

以延性金属钽为研究对象,对钽在平板撞击下的层裂行为进行了多尺度下的数值模拟研究,从微观视角对自由面速度曲线上的典型特征进行了新的解读。在宏观尺度,对比分析了光滑粒子流体动力学法（smootfied particle hydrodynamics, SPH）与Lagrange网格法以及几种本构模型的模拟结果及其适用性。通过与实验数据的对比表明,Steinberg-Cochran-Guinan本构模型在层裂模拟中与实验数据吻合较好,通过改变加载条件获得了不同应变率下的自由面速度曲线,分析了不同应变率下的自由面速度曲线中的典型特征。在微观尺度,采用分子动力学方法获得层裂区域内损伤演化情况,揭示了宏观尺度自由面速度曲线典型特征所蕴含的物理内涵。分析表明,层裂表现为材料内部微孔洞形核、长大和聚集的损伤演化过程,自由面速度曲线上的典型特征与层裂区域的损伤演化过程存在密切关联。Pullback信号是层裂区域内微孔洞形核的宏观表征;自由面速度曲线的下降幅值在一定程度上反映了微孔洞的形核条件,由此计算得到的层裂强度实际上是微孔洞的形核强度。此外,Pullback信号后的速度回跳速率反映了微损伤演化的速率。