玻璃鋼材料損傷的聲發(fā)射特性

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(1.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院，東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心， 東營(yíng) 257000；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266580)

玻璃鋼材料相比金屬具有耐腐蝕性能及力學(xué)性能好、容易成型等優(yōu)點(diǎn)，在化工防腐、石油儲(chǔ)運(yùn)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。玻璃鋼材料在使用過程中往往需要承受拉伸、彎曲、壓縮、剪切等一種或多種復(fù)雜載荷，在載荷的長(zhǎng)期作用下，其會(huì)發(fā)生疲勞并且強(qiáng)度下降，出現(xiàn)基體開裂、纖維與樹脂分離等缺陷，造成重大事故發(fā)生。因此，需要對(duì)玻璃鋼材料進(jìn)行定期檢測(cè)，目前聲發(fā)射技術(shù)已成為研究玻璃鋼復(fù)合材料斷裂機(jī)制及對(duì)其實(shí)施檢測(cè)的重要方法[3]。玻璃鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有不均勻性和各項(xiàng)異性，不同纖維鋪層方向的玻璃鋼力學(xué)性能及破壞過程存在較大差異[4-6]，在損傷過程中會(huì)出現(xiàn)不同的損傷階段，基體開裂、纖維抽絲和纖維斷裂等都明顯伴有損傷階段與聲發(fā)射信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可以采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)玻璃鋼復(fù)合材料的漸進(jìn)損傷過程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)[7-9]。筆者對(duì)不同纖維鋪層方向的玻璃鋼材料損傷過程中的聲發(fā)射特性進(jìn)行研究，首先研究了其宏觀力學(xué)特性，得到了玻璃鋼機(jī)械損傷規(guī)律和基本力學(xué)性能參數(shù)；然后，對(duì)試驗(yàn)過程中檢測(cè)的聲發(fā)射信號(hào)幅值、振鈴計(jì)數(shù)等進(jìn)行了分析，并基于灰色關(guān)聯(lián)分析法，建立了玻璃鋼材料力學(xué)與聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)；最后，對(duì)采集到的典型信號(hào)進(jìn)行波形分析及FFT(快速傅里葉變換)，研究不同信號(hào)的峰值頻率范圍。

圖3 不同試件的力-位移曲線

1 玻璃鋼損傷的聲發(fā)射試驗(yàn)方法

為了研究不同基體材料、纖維鋪層角度對(duì)玻璃鋼宏觀力學(xué)特性及損傷規(guī)律的影響，設(shè)計(jì)了多因素完全隨機(jī)試驗(yàn)。

該試驗(yàn)共兩個(gè)因素，分別為因素A(樹脂)和因素B(纖維角度)，因素A有兩個(gè)水平(乙烯基酯、不飽和聚酯),因素B有3個(gè)水平(0°,90°,±45°)。根據(jù)交叉分組得到2×3種被測(cè)試情況，結(jié)果記為yijl，i=1,2,3,…，k；j=1,2,3…，r；l=1,2,3,…，n；試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平

試件采用的樹脂材料為乙烯基酯和不飽和聚酯兩種，拉伸試件尺寸(長(zhǎng)×寬)為500 mm×50 mm，彎曲試件尺寸(長(zhǎng)×寬)為300 mm×60 mm，厚度均為6 mm，纖維鋪層方向分別為0°,90°,±45°。試件要求表面平整，厚度均勻，其拉伸和彎曲試件結(jié)構(gòu)示意如圖1，2所示。

圖1 玻璃鋼不同鋪層拉伸試件結(jié)構(gòu)示意

圖2 玻璃鋼不同鋪層彎曲試件結(jié)構(gòu)示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》及GB/T 1449-2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，每種試件試驗(yàn)3次，對(duì)3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)取均值，得到不同試件的力-位移曲線如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同試件的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果 MPa

從力-位移曲線上分析，對(duì)于0°和90°試件，破壞前，載荷與變形基本呈線性關(guān)系，載荷達(dá)到一定值時(shí)試件突然炸裂，表現(xiàn)為脆性材料，無明顯屈服階段；對(duì)于±45°試件，在拉伸和彎曲過程中，載荷與變形呈拋物線關(guān)系，斷裂前試件斷裂部位變窄，出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象，具有較好的韌性，變形量最大。

從拉伸和彎曲強(qiáng)度上分析，主要承受力的是增強(qiáng)纖維，0°試件強(qiáng)度最大，其次是±45°試件，強(qiáng)度最小的是90°試件，不同基體材料對(duì)試件強(qiáng)度的影響不大。

2.2 聲發(fā)射特性

首先對(duì)聲發(fā)射設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后采用參數(shù)分析法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)進(jìn)行分析[10]，通過不同參數(shù)描述玻璃鋼材料在損傷過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)特征，設(shè)備參數(shù)設(shè)置為門檻值45 dB，采樣頻率1 000 kHz,采樣長(zhǎng)度2 000，參數(shù)間隔200 μs，鎖閉時(shí)間300 μs,峰值間隔50 μs。

對(duì)聲發(fā)射信號(hào)中振鈴計(jì)數(shù)、幅度、能量以及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)果表明：試件在斷裂初期多為基體樹脂開裂，能量和振鈴計(jì)數(shù)較低，幅度達(dá)55 dB，持續(xù)時(shí)間較短，小于3 000 μs；在穩(wěn)定斷裂階段主要是纖維抽絲及斷裂過程，幅度達(dá)到75 dB，振鈴計(jì)數(shù)達(dá)到12 000，能量達(dá)650 000 mV·μs，大約占總數(shù)的18%；最終破壞階段各參數(shù)達(dá)到最大值，能量累積超過3 500 000 mV·μs，幅度高達(dá)90 dB。通過不同信號(hào)參數(shù)可以判斷試件的不同損傷階段，為玻璃鋼損傷機(jī)理研究以及在線聲發(fā)射檢測(cè)研究提供基礎(chǔ)。

2.3 力學(xué)與聲學(xué)參數(shù)關(guān)聯(lián)研究

采用灰色關(guān)聯(lián)法[11-12]，將拉伸強(qiáng)度設(shè)為參考列，振鈴計(jì)數(shù)、幅度、能量和持續(xù)時(shí)間設(shè)為比較列，通過MATLAB軟件對(duì)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明:拉伸力、彎曲力與幅度之間具有很高的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度可達(dá)0.861以上，聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)如圖4所示，載荷與聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)關(guān)系如圖5所示。力學(xué)參數(shù)與聲發(fā)射參數(shù)關(guān)聯(lián)度為拉伸力-振鈴計(jì)數(shù)0.837,拉伸力-幅度0.861,拉伸力-能量0.831,拉伸力-持續(xù)時(shí)間0.845,彎曲力-振鈴計(jì)數(shù)0.821,彎曲力-幅度0.872,彎曲力-能量0.801,彎曲力-持續(xù)時(shí)間0.824。

研究得到玻璃鋼所受外力情況與監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)幅值存在較高的關(guān)聯(lián)，因此可以通過信號(hào)幅值準(zhǔn)確地反映玻璃鋼受力狀況以及內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)的斷裂情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型玻璃鋼承壓儲(chǔ)罐進(jìn)行安全性監(jiān)測(cè)，并通過無損的方式對(duì)在役玻璃鋼設(shè)備的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估。

圖4 聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)

圖5 載荷與聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)關(guān)系

圖6 玻璃鋼板材損傷過程中4種典型聲發(fā)射信號(hào)波形及頻譜

3 典型信號(hào)頻譜分析

對(duì)聲發(fā)射信號(hào)小波降噪處理后[13-14]，進(jìn)行波形及頻譜分析[15]，得到試件在破壞過程中產(chǎn)生的4種典型信號(hào)為基體斷裂、纖維抽絲、纖維斷裂和整體斷裂信號(hào)。典型的聲發(fā)射信號(hào)波形及相應(yīng)的頻譜如圖6所示。從信號(hào)的基本特征來看，其屬于突發(fā)型信號(hào)，并且具有一定的持續(xù)時(shí)間。

通過對(duì)不同破壞階段產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)波形及頻譜分析可知，4種典型聲發(fā)射信號(hào)的波形及頻譜存在明顯的差異，損傷過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)頻率集中在50 kHz～300 kHz之間。由于基體樹脂強(qiáng)度較低，開裂時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)幅值較小，且持續(xù)時(shí)間最短，信號(hào)的峰值頻率出現(xiàn)在50 kHz附近，頻率最低；纖維抽絲是一個(gè)持續(xù)性過程，從波形上看，信號(hào)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)到1 ms，頻率范圍較寬，幅值衰減緩慢且規(guī)律性較強(qiáng)，這主要是因?yàn)榇穗A段玻璃鋼內(nèi)部損傷加劇且持續(xù)，纖維與樹脂之間產(chǎn)生大量的破壞。從信號(hào)的頻譜可以看出，抽絲過程中伴隨著基體的開裂現(xiàn)象，信號(hào)的峰值頻率出現(xiàn)在100 kHz～150 kHz間；纖維斷裂信號(hào)幅值較高，信號(hào)的峰值頻率出現(xiàn)在200 kHz附近，并且峰值較明顯；試件在最終斷裂時(shí)，由于大量纖維和樹脂集中斷裂，釋放出大量能量，出現(xiàn)連續(xù)型突發(fā)信號(hào)，信號(hào)的幅值最高，峰值頻率可達(dá)到300 kHz。

4 結(jié)論

(1) 纖維鋪層角度是決定玻璃鋼損傷規(guī)律和基本力學(xué)性能的主要因素，對(duì)于0°和90°試件，載荷與變形基本呈線性關(guān)系，表現(xiàn)為脆性材料；對(duì)于±45°試件，載荷與變形呈拋物線關(guān)系，斷裂前試件出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象，韌性較好。

(2) 試件在不同損傷階段，聲發(fā)射信號(hào)中振鈴計(jì)數(shù)、幅度、能量和持續(xù)時(shí)間存在明顯差異。同時(shí)，拉伸、彎曲力與幅度之間關(guān)聯(lián)度較高，達(dá)到0.861以上，可通過信號(hào)的幅度準(zhǔn)確地反映玻璃鋼受力狀況以及內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)的斷裂情況。

(3) 玻璃鋼損傷產(chǎn)生的信號(hào)為突發(fā)型信號(hào)，存在基體開裂、纖維抽絲、纖維斷裂、整體斷裂4種典型信號(hào)，其波形及頻譜區(qū)分度較高，存在不同的峰值頻率范圍。工程應(yīng)用中，對(duì)玻璃鋼監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行收集，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，依據(jù)波形和頻譜特征可分析玻璃鋼內(nèi)部發(fā)生的損傷情況。

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