李 偉 孫 平 宋佳宇 郭福平 張志遠 閆孝偉

（1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.中國石油集團安全環(huán)保技術研究院有限公司 污染物控制與處理國家重點實驗室）

利用儀器對材料產生的聲發(fā)射信號進行探測、接收、記錄，并利用聲發(fā)射信號判斷聲源、確定缺陷的嚴重程度、評定材料性能和結構完整性的技術稱為聲發(fā)射技術［1］。 碳纖維復合材料應用廣泛， 有時被用于高溫等苛刻的工作環(huán)境中，由于其鋪層方式、界面的存在和在成型過程中產生的缺陷，使之受力復雜，加上溫度的影響，會導致組分性能差異和層間應力變化［2］。 聲發(fā)射技術對復合材料損傷過程信號存在敏感性，常用于復合材料的損傷評價［3］。

Roundi W等通過研究發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射技術是識別復合材料層合板在靜態(tài)和循環(huán)拉伸試驗中不同損傷機制的一種非常有用的方法，且基體微裂紋是最主要的損傷機制［4］。 Fotouhi M等利用聲發(fā)射信號特征和基于小波變換的信號處理技術，對分層試驗過程中的失效機理進行了識別。 根據(jù)不同頻率范圍內的功率譜密度和各成分的能量分布準則， 對主要損傷模式進行了分類［5］。Pashmforoush F等通過研究發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射技術與聚類算法相結合，可作為夾層復合材料損傷機理識別和分類的有效方法［6］。 栗麗采用多種聚類算法對纖維增強復合材料拉伸過程產生的聲發(fā)射信號進行了討論，發(fā)現(xiàn)DB準則和輪廓系數(shù)可以作為聚類分析的有效判據(jù)［7］。秦礽等將AE和DIC結合，以玻璃纖維增強復合材料為研究對象，對它在三點彎曲下的屈曲破壞和變形場進行分析，利用聚類分析識別試件損傷模式，結果表明壓縮載荷下的分層損傷比拉伸載荷下的明顯［8］。 李偉等針對復合材料損傷聲發(fā)射信號特點，構建小波神經網絡實現(xiàn)對不同損傷模式的識別，并引入遺傳算法提高網絡識別能力［9］。 Gao Y等對C/SiC試樣施加壓縮靜載荷，并用聲發(fā)射監(jiān)測其開裂過程，包括kmeans在內的模式識別技術可以有效識別C/SiC復合材料結構的損傷模式［10］。Zhou W等提出了基于k-means和主成分分析（PCA）的聚類分析方法對試件屈曲過程中的聲發(fā)射信號進行分析，發(fā)現(xiàn)分層缺陷導致復合材料力學性能下降，該方法可以有效監(jiān)測試件的損傷過程［11］。

目前，國內外已經開展了基于聲發(fā)射技術的復合材料損傷機理研究， 但多局限于單一載荷場， 對于高溫環(huán)境下復合材料的損傷研究較少。筆者通過常溫、高溫環(huán)境下的聲發(fā)射拉伸實驗對碳纖維復合材料進行損傷分析，利用聲發(fā)射儀器全過程采集聲發(fā)射信號，對聲發(fā)射參量的經歷趨勢和分布變化進行分析研究，結合PCA和k-means將AE信號與損傷行為相關聯(lián)，實現(xiàn)高溫環(huán)境下復合材料損傷特性的有效表征與評價。

1 實驗部分

1.1 實驗試件

采用鋪層為［0°/±45°/0°/90°］s的碳/環(huán)氧樹脂復 合 材 料 層 合 板 試 樣 （T700）， 尺 寸 規(guī) 格 為400mm×25mm×2mm，加載方式為單向拉伸。 在試件兩端用樹脂膠粘貼鋁板加強片以防止夾具將試件破壞、拉脫，試件尺寸示意圖如圖1所示。

圖1 試件尺寸示意圖

1.2 實驗裝置

實驗裝置包括：電子萬能試驗機、聲發(fā)射檢測系統(tǒng)和高溫環(huán)境箱。 其中聲發(fā)射檢測系統(tǒng)包括PAC公司生產的PCI-2型聲發(fā)射檢測儀、PICO傳感器（中心頻率250kHz，頻率范圍為200～750kHz）、2/4/6前置放大器。 AE參數(shù)設置為峰值定義時間100μs， 撞 擊 定 義 時 間200μs， 撞 擊 閉 鎖 時 間400μs，采樣率2MSPS，前置放大器增益40dB，門檻值40dB。 自主設計高溫環(huán)境箱，環(huán)境箱上下開矩形孔，將試件穿過預留孔，可以實現(xiàn)試件大部分面積被加熱，環(huán)境箱外試件部分兩邊緣粘貼傳感器。

1.3 實驗過程

將傳感器固定在試件上， 耦合劑為真空脂。采用鉛芯斷裂法（QJ 2914—1997《復合材料結構件聲發(fā)射檢測方法》）對傳感器進行標定。 拉伸實驗裝置（常溫、高溫）如圖2所示，拉伸時加載速度為0.5mm/min，對試件連續(xù)加載直至破壞，同時利用聲發(fā)射檢測系統(tǒng)對復合材料的損傷過程進行信號采集。本實驗選取80℃作為高溫實驗溫度，將采集到的信號與常溫環(huán)境下采集的信號做對比。

圖2 拉伸實驗裝置

2 主成分分析與聚類分析方法

2.1 PCA及k值的確定

基于層次聚類的特征選擇和基于PCA進行特征提取。 選取AE信號的上升時間、 振鈴計數(shù)、能量、持續(xù)時間、振幅和平均頻率為特征參量。 數(shù)據(jù)標準化后，進行PCA，方法流程如圖3所示。常溫和高溫數(shù)據(jù)均選取兩個主成分描述數(shù)據(jù)，且累計貢獻率可達95%（圖4）。

圖3 PCA方法流程

圖4 累計貢獻率圖

采用Matlab對聲發(fā)射信號進行k-means聚類。通過3個指標——Davies-Bouldin（DB）、輪廓系數(shù)和SSE以下，確定簇數(shù)k值［12］。

Davies-Bouldin（DB）：

其中，S是簇內距離，d是簇間距離，k是簇數(shù)。DB值低表示聚類良好。

輪廓系數(shù)：

其中，a為樣本i到同簇其他樣本的平均距離，b為樣本i到其他某簇的所有樣本的平均距離。 聚類結果的輪廓系數(shù)即為所有樣本的S（i）的均值。S（i）接近1，則說明樣本i聚類合理。

SSE：

其中，Ni是第i個簇，s是Ni的樣本點，ci是Ni的中心。

計算結果如圖5所示， 綜合各指標影響確定常溫下分為4類最優(yōu)，高溫下分為3類最優(yōu)。

圖5 k值選取指標圖

2.2 k-means聚類

k-means聚類是利用數(shù)據(jù)集中的所有向量與數(shù)據(jù)集中心的距離平方最小為判定準則的一種聚類方法［13］。 k-means聚類算法流程如圖6所示。

圖6 k-means算法流程

3 實驗結果分析與討論

實驗結果表明，常溫、高溫環(huán)境下試樣的載荷-時間曲線和聲發(fā)射特性均具有較好的重復性。 以一組試樣為例，討論在常溫、高溫環(huán)境下的拉伸損傷過程聲發(fā)射特性。

3.1 宏觀損傷分析

圖7為常溫、高溫下試件宏觀損傷情況。 在常溫拉伸過程中基體不斷受損，而纖維基本沒有損傷，引起界面應力，導致復合材料分層破壞；在高溫拉伸過程中，由于高溫影響使得纖維和基體的結合力變差，界面氧化衰退，強度降低，樹脂基體逐漸失效，失去在纖維間傳遞載荷的能力。 系統(tǒng)不穩(wěn)定性增強，纖維基體脫粘繼而引起纖維抽拔和斷裂。 從材料的斷口可以看出，在高溫下材料出現(xiàn)了“劈裂”、“散束”斷裂現(xiàn)象。 顯然，二者宏觀損傷具有較大差別，對兩種工況的聲發(fā)射信號特性進行分析研究。

圖7 拉斷后的試件

3.2 全局聲發(fā)射分析

碳纖維復合材料在常溫和高溫環(huán)境下拉伸時，均在最大載荷時突然發(fā)生斷裂，高溫下拉伸的斷裂強度略低于常溫， 位移量略大于常溫，表明高溫對試件的韌性和強度有一定的影響。 經過統(tǒng)計和多次重復實驗發(fā)現(xiàn)，高溫環(huán)境下的聲發(fā)射撞擊總數(shù)遠遠小于常溫下的，說明在高溫環(huán)境下微損傷的數(shù)量少于常溫。 另外，從圖8中撞擊計數(shù)率來看， 二者加載初期撞擊計數(shù)率均普遍較低，上升較為緩慢，600s左右開始撞擊計數(shù)率迅速增大，并在850s左右達到峰值，而后高溫試件的撞擊計數(shù)率迅速減小，在試樣最終斷裂前撞擊計數(shù)率保持較小，即“平靜期”。 相比于常溫環(huán)境，高溫環(huán)境下試件的聲發(fā)射撞擊計數(shù)率峰值出現(xiàn)的位置靠前， 且聲發(fā)射信號平靜期的相對長度較長，平靜期現(xiàn)象明顯（表1）。

圖8 載荷-時間-撞擊計數(shù)率歷經圖

表1 不同溫度下碳纖維復合材料拉伸實驗結果數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對于圖8中載荷-時間曲線， 常溫下的載荷隨著時間呈線性增長，斜率無明顯變化，加載過程平穩(wěn)，僅在加載的后期出現(xiàn)了微小抖動。 值得注意的是，高溫下該現(xiàn)象（微小抖動）的出現(xiàn)早于并多于常溫，由局部放大圖可以看到在387s和466s出現(xiàn)了兩次明顯的抖動現(xiàn)象，并且從聲發(fā)射信號上看，此時撞擊計數(shù)率較高。 由于材料的損傷引起應力重新分布導致出現(xiàn)此現(xiàn)象， 這意味著系統(tǒng)出現(xiàn)了不穩(wěn)定的跡象。

從圖9中能量的累計趨勢上看， 常溫下累計能量曲線在700s前信號呈平穩(wěn)的緩慢增大狀態(tài)，而高溫下信號在400s左右出現(xiàn)了明顯的兩次階躍式突變，這與圖8b中的載荷-時間曲線的兩次“抖動”相對應，可見，高溫環(huán)境下信號在能量上的變化趨勢同撞擊變化趨勢相吻合，均呈現(xiàn)出高溫環(huán)境影響下試件不穩(wěn)定性增強的特性。

圖9 累計能量曲線圖

3.3 聚類結果

通過參量分析，發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，并且高溫下的微損傷較常溫少。 根據(jù)DB準則和輪廓系數(shù)， 常溫下分為4個類別的最優(yōu)聚類，高溫下分為3個類別的最優(yōu)聚類。 從圖10所示的聚類后累計撞擊數(shù)歷經圖看，常溫拉伸試件的2類信號在400s有突然緩慢上升的趨勢，在700s后1、1′和2類信號以較大斜率迅速上升， 尤其是1類和1′類基本以相同趨勢上升，而加載期間3類信號撞擊數(shù)上升較為平緩。 高溫拉伸試件與常溫拉伸試件相同之處在于1類信號均存在較高的撞擊數(shù)，但高溫試件在400s左右3類信號有明顯上升趨勢，且高溫下3類信號的撞擊數(shù)目明顯大于2類信號。 這意味著兩者的損傷模式有所區(qū)別。

圖10 聚類后累計撞擊數(shù)-時間歷經圖

將圖10得到的分類撞擊數(shù)據(jù)進行累加，各類別占比柱狀圖如圖11所示。 由圖11可以看出在常溫下1′類信號占比最高，3類占比最低，而高溫下2類信號占比最低。

圖11 聚類后各類別占比柱狀圖

結合圖12～14， 常溫聲發(fā)射信號中：1類信號撞擊數(shù)高，具有較低幅值（40～55dB）、較低能量和上升時間較短的特征；1′類信號介于1類和2類信號之間，撞擊數(shù)同樣很高，為低幅值（55～65dB）、低能量和上升時間相對較短的一類信號；2類信號具有上升時間慢、 振幅在65～80dB之間變化且能量相對較高的特點；3類信號撞擊數(shù)相對較低，幅值基本在75dB以上，具有相對較短的上升時間和高能量的特點。 在高溫聲發(fā)射信號中：1類信號撞擊數(shù)高、低幅值（40～65dB）、低能量、上升時間較慢；2類信號上升時間極快、振幅相對較高（50～75dB）、 能量相對低；3類信號具有相對較短的上升時間和高能量的特點。

圖12 幅值-時間-載荷曲線

根據(jù)以上分析，結合碳纖維復合材料力學特性和損傷機理可知：

a. 判定常溫損傷。 1類為基體微裂紋和基體開裂信號；1′類為基體開裂和少量的界面分層摩擦信號；2類為界面分層信號；3類為纖維斷裂信號。

圖13 上升時間-幅值關聯(lián)圖

圖14 能量-幅值關聯(lián)圖

b. 判定高溫損傷。 1類為基體開裂信號；2類為纖維/基體脫粘信號；3類為纖維抽拔和纖維斷裂信號。

結合以上聲發(fā)射信號特性分析發(fā)現(xiàn)，常溫和高溫下的損傷模式不同，高溫環(huán)境加劇了損傷演化過程， 導致試件在有較少微損傷的情況下，出現(xiàn)了纖維/基體脫粘，引起纖維斷裂數(shù)目增大。 而常溫下的試件體現(xiàn)出纖維斷裂少、分層撞擊數(shù)目多的特點，可與宏觀損傷相驗證。

4 結束語

筆者以鋪層為 ［0°/±45°/0°/90°］s的碳纖維復合材料試件為研究對象，基于聲發(fā)射技術對其高溫環(huán)境下?lián)p傷特性進行分析研究，并與常溫環(huán)境試件進行比對。 研究發(fā)現(xiàn)在高溫影響下材料的損傷早于常溫，且引起應力重新分布導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 二者損傷模式表現(xiàn)出較大不同，高溫環(huán)境下的試件損傷演化較常溫劇烈， 表現(xiàn)為微損傷減少， 出現(xiàn)纖維/基體脫粘損傷后的纖維斷裂增加。常溫下拉伸后的試件損傷體現(xiàn)為分層損傷，高溫下的損傷體現(xiàn)為纖維的抽拔和斷裂。 實驗結果表明聲發(fā)射技術可以對高溫環(huán)境下復合材料的損傷進行有效表征。