階梯加載在復(fù)合材料容器聲發(fā)射檢測(cè)中的應(yīng)用

(西安航天復(fù)合材料研究所, 西安 710025)

復(fù)合材料容器水壓試驗(yàn)過程的聲發(fā)射檢測(cè)多采用升壓式加載方式，評(píng)估中多對(duì)其聲發(fā)射信號(hào)趨勢(shì)進(jìn)行一致性評(píng)估，但較難進(jìn)行定量分析。往復(fù)式階梯加載方式不同于升壓式加載方式，具有明顯的升壓段、保壓段及降壓段，可以獲得更多的聲發(fā)射信號(hào)特征，可能會(huì)為容器的質(zhì)量評(píng)估提供更多的量化信息。ASTM-1067StandardPracticeforAcousticEmissionExaminationofFiberglassReinforcePlasticResin(FRP)Tanks/Vessels中推薦復(fù)合材料容器聲發(fā)射檢測(cè)使用階梯加載方式，但檢測(cè)時(shí)推薦的最高加載載荷較低(不高于2 MPa)，未見以水為介質(zhì)的高壓階梯加載的介紹。階梯加載類似于在每一階梯下進(jìn)行的重復(fù)加載，是獲得費(fèi)里西蒂比的主要途徑。國內(nèi)有通過重復(fù)加載獲得費(fèi)里西蒂比的介紹，但未進(jìn)行階梯加載過程中每一階梯下費(fèi)里西蒂比的計(jì)算。文章以小容器為對(duì)象，研究了水壓試驗(yàn)往復(fù)式階梯加載在容器聲發(fā)射檢測(cè)中的應(yīng)用，為進(jìn)一步了解容器性能提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)制備與方法

1.1 加載方式

試驗(yàn)中采用的加載方式為兩種：常規(guī)升壓式加載方式和往復(fù)式階梯加載方式，加載曲線如圖1所示。

圖1 兩種加載方式的加載曲線示意

從圖1可以看出，往復(fù)式階梯加載過程包括升壓段、保壓段及卸壓段等過程。通過階梯往復(fù)加載獲得每一保壓載荷下聲發(fā)射信號(hào)的費(fèi)里西蒂比值(以下簡(jiǎn)稱費(fèi)比)。費(fèi)比常用來表征被試容器在之前最高壓力下的損傷程度。某載荷下的費(fèi)比越高，表明容器承受該載荷時(shí)所受的損傷越小。文獻(xiàn)[1]報(bào)道，費(fèi)比降低與產(chǎn)品極限強(qiáng)度有一定的相關(guān)性。往復(fù)式階梯加載過程中，有降壓段和再升壓段，可以獲得前一載荷下的費(fèi)比，為容器加載時(shí)的變化過程提供了相關(guān)質(zhì)量信息。

1.2 試驗(yàn)方案

以碳纖維纏繞容器為試驗(yàn)對(duì)象，先進(jìn)行檢壓試驗(yàn)，后進(jìn)行爆破試驗(yàn)。檢壓試驗(yàn)中取1個(gè)容器采用往復(fù)式階梯加載，1個(gè)采用常規(guī)升壓式加載。檢壓試驗(yàn)過程中進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，試驗(yàn)后對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析，研究不同加載方式下的聲發(fā)射信號(hào)特征；隨后進(jìn)行爆破試驗(yàn)，實(shí)測(cè)往復(fù)式階梯加載過程對(duì)容器內(nèi)壓強(qiáng)度的影響。

1.3 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為碳纖維纏繞成型的復(fù)合材料容器，其直徑約為480 mm，主要包括前后封頭、筒段及金屬件等部位。碳纖維在一定張力作用下浸漬基體，由纏繞機(jī)纏繞成型。試驗(yàn)中共使用2臺(tái)復(fù)合材料容器，2臺(tái)容器的設(shè)計(jì)制造工藝一致，編號(hào)分別為1，2。

1.4 聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)置

聲發(fā)射設(shè)備使用美國PAC公司生產(chǎn)的DISP聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，選用R15型號(hào)的探頭，前置放大器選246。試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,聲發(fā)射參數(shù)設(shè)置如表1所示。在容器表面布置2個(gè)探頭，其具體位置如圖2所示。完成探頭布置及系統(tǒng)設(shè)置后，對(duì)各檢測(cè)通道進(jìn)行校準(zhǔn)直至通道靈敏度滿足試驗(yàn)要求。

表1 容器試驗(yàn)過程中聲發(fā)射參數(shù)設(shè)置

圖2 試驗(yàn)過程中聲發(fā)射探頭位置布置示意

1.5 加載設(shè)置

按照容器的設(shè)計(jì)技術(shù)文件確定加載時(shí)的最高檢壓載荷P1。

往復(fù)式階梯加載過程加載流程為：0 MPa→1 MPa(穩(wěn)壓120 s)→2 MPa(穩(wěn)壓120 s)→1 MPa(穩(wěn)壓120 s)→3 MPa(穩(wěn)壓120 s)→2 MPa(穩(wěn)壓120 s)→4 MPa(穩(wěn)壓120 s)→3 MPa(穩(wěn)壓120 s)→5 MPa(穩(wěn)壓120 s)→4 MPa(穩(wěn)壓120 s)→6 MPa(穩(wěn)壓120 s)→5 MPa(穩(wěn)壓120 s)→7 MPa(穩(wěn)壓120 s)→6 MPa(穩(wěn)壓120 s)→8 MPa(穩(wěn)壓120 s)→7 MPa(穩(wěn)壓120 s)→9 MPa(穩(wěn)壓120 s)→8 MPa(穩(wěn)壓120 s)→10 MPa(穩(wěn)壓120 s)→9 MPa(穩(wěn)壓120 s)→11 MPa(穩(wěn)壓120 s)→0 MPa。升降壓速率為1 MPa·min-1。1號(hào)容器進(jìn)行往復(fù)式階梯加載。

常規(guī)升壓式加載過程加載流程為：0 MPa→1 MPa→2 MPa→…→10 MPa(穩(wěn)壓30 s)→0 MPa。升壓速率為1 MPa·min-1。2號(hào)容器進(jìn)行升壓式加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 信號(hào)趨勢(shì)分析

1號(hào)容器進(jìn)行了往復(fù)式階梯加載，其聲發(fā)射信號(hào)特征及加載曲線如圖3所示。

圖3 1號(hào)容器采用往復(fù)式階梯加載時(shí)的加載曲線及聲發(fā)射信號(hào)特征圖

從圖3可以看出，階梯往復(fù)式加載過程中，每一升壓段的聲發(fā)射信號(hào)呈快速增加趨勢(shì)，表明隨著載荷的增加，容器出現(xiàn)應(yīng)力釋放現(xiàn)象。隨著保壓段的到來，聲發(fā)射信號(hào)逐漸呈收斂趨勢(shì)，降壓段沒有聲發(fā)射信號(hào)。每一升壓段信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻大約在前一保壓載荷處，符合費(fèi)里西蒂效應(yīng)，可以進(jìn)行費(fèi)比的計(jì)算。從信號(hào)整體包絡(luò)線可以看出，信號(hào)在載荷約為4.9 MPa處出現(xiàn)第一個(gè)信號(hào)峰值，隨后信號(hào)隨載荷增加出現(xiàn)收斂。在載荷約為8.7 MPa處,信號(hào)達(dá)到第二個(gè)峰值，容器發(fā)出人耳可聽見的響聲，隨后信號(hào)隨載荷增加出現(xiàn)收斂。檢壓試驗(yàn)后進(jìn)行爆破試驗(yàn)，1號(hào)容器爆破壓強(qiáng)為21.4 MPa。

2號(hào)容器進(jìn)行了升壓式加載，其加載曲線及聲發(fā)射信號(hào)特征如圖4所示。

圖4 2號(hào)容器采用升壓式加載時(shí)的加載曲線及聲發(fā)射信號(hào)特征圖

從圖4可以看出，2號(hào)容器檢壓過程中聲發(fā)射信號(hào)在約4.8 MPa處達(dá)到峰值，隨后隨載荷增加出現(xiàn)收斂。在載荷約8.0 MPa處，信號(hào)達(dá)到第二個(gè)峰值，容器發(fā)出人耳可聽見的響聲，隨后信號(hào)隨載荷增加出現(xiàn)收斂。2號(hào)容器爆破壓強(qiáng)為20 MPa，其在承壓過程中無法進(jìn)行費(fèi)比的計(jì)算。

2.2 信號(hào)量分析

對(duì)兩臺(tái)容器檢壓過程聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

表2 兩臺(tái)試驗(yàn)容器聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)特征表

從表2,圖3,4可以看出，不同加載方式下的容器聲發(fā)射信號(hào)，基本在相同數(shù)量級(jí)，信號(hào)趨勢(shì)基本一致。信號(hào)在載荷約為4.8 MPa處達(dá)到第一個(gè)峰值，在載荷約為8 MPa處出現(xiàn)響聲，并伴隨第二個(gè)峰值的出現(xiàn)，隨后隨載荷增加信號(hào)出現(xiàn)收斂，容器質(zhì)量完好、一致。由此可知，兩種加載方式能獲得基本一致的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)過程中容器的受力形式基本一致。

2.3 費(fèi)比計(jì)算及分析

對(duì)進(jìn)行階梯加載的1號(hào)容器，從2 MPa起計(jì)算相應(yīng)載荷下的費(fèi)比，結(jié)果如表3所示。

通常認(rèn)為，費(fèi)比大于0.95時(shí)，容器質(zhì)量較好。從表3可以看出，載荷小于6 MPa時(shí)費(fèi)比均大于0.95，截荷為7 MPa和8 MPa時(shí)的費(fèi)比均小于0.95。從圖3(b)可以看出，聲發(fā)射信號(hào)在載荷約為8.7 MPa處出現(xiàn)突增并形成峰值，容器發(fā)出人耳可聽見的響聲，表明容器在8.7 MPa處出現(xiàn)應(yīng)力集中釋放。費(fèi)比的降低可能是8.7 MPa處的應(yīng)力即將釋放造成的。隨后費(fèi)比重回0.95，10 MPa時(shí)費(fèi)比為0.99。費(fèi)比的這種隨應(yīng)力釋放突降后又迅速回升的現(xiàn)象，表明殼體承載時(shí)所受損傷有限，損傷沒有進(jìn)一步擴(kuò)展，也表明載荷為8.7 MPa時(shí)出現(xiàn)的殼體聲響可能并不影響產(chǎn)品的內(nèi)壓強(qiáng)度。隨后進(jìn)行的爆破試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，該臺(tái)容器爆破壓強(qiáng)為21.4 MPa，高于設(shè)計(jì)的爆破壓強(qiáng)。

表3 1號(hào)容器各載荷下的費(fèi)比

3 結(jié)語

(1) 往復(fù)式階梯加載方式可以獲得與升壓式加載方式一致的聲發(fā)射信息，可以對(duì)復(fù)合材料容器水

壓試驗(yàn)過程的信號(hào)變化情況進(jìn)行描述。除此之外，還可獲得與容器質(zhì)量相關(guān)的費(fèi)比信息，且該加載方式對(duì)容器爆破壓強(qiáng)影響較小。

(2) 通過階梯加載方式可以計(jì)算各加載載荷下的費(fèi)比，細(xì)觀表征殼體變化過程。試驗(yàn)中，費(fèi)比變化出現(xiàn)了先大于0.95、突降、后再次大于0.95的過程。費(fèi)比的降低可能與容器即將出現(xiàn)的應(yīng)力釋放相關(guān)，后能夠重新大于0.95，并最終升至0.99，表明費(fèi)比暫時(shí)的降低所對(duì)應(yīng)的信號(hào)增多，應(yīng)力釋放對(duì)容器的強(qiáng)度影響有限。

文獻(xiàn)[2]中提到，可以通過費(fèi)比的變化對(duì)殼體損傷情況進(jìn)行判斷。而文章試驗(yàn)中階梯往復(fù)加載方式的最高載荷約為爆破壓強(qiáng)的46%，還未到破壞載荷，因此，最高檢壓載荷下的費(fèi)比為0.99，表明此時(shí)容器質(zhì)量未出現(xiàn)異常。后續(xù)可以考慮提高檢壓載荷，進(jìn)一步驗(yàn)證費(fèi)比在殼體質(zhì)量評(píng)估中的應(yīng)用。