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        碳纖維復(fù)合材料損傷的非線性超聲及聲發(fā)射聯(lián)合檢測研究

        2022-08-24 12:19:22孫榮鑫閆孝偉
        化工機(jī)械 2022年3期
        關(guān)鍵詞:聲波計(jì)數(shù)試件

        孫榮鑫 李 偉 閆孝偉 蔣 鵬 孫 平

        (東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

        碳纖維復(fù)合材料因具有高比強(qiáng)度、 高疲勞耐受性及優(yōu)異的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)[1],而被廣泛應(yīng)用于航空航天、儲存運(yùn)輸及建筑生產(chǎn)等行業(yè)中[2],因這些行業(yè)對安全性的要求較高, 故已有大量學(xué)者對碳纖維復(fù)合材料的損傷機(jī)理、 損傷階段及損傷識別等方面進(jìn)行了深入研究, 而針對復(fù)合材料加載過程中損傷破壞機(jī)理的檢測分析較為常用的手段是聲發(fā)射檢測技術(shù)[3],該技術(shù)的應(yīng)用可行性已被多次報(bào)道[4,5],然而聲發(fā)射檢測技術(shù)依賴于材料活性缺陷和活性大小, 故對早期弱活性敏感性較低,不易區(qū)分損傷和噪聲干擾。 近年來,大量研究發(fā)現(xiàn)利用非線性超聲技術(shù)可以有效檢測材料中的早期損傷, 石媛媛對非線性超聲在不同外力作用下的金屬應(yīng)力腐蝕微裂紋的傳播進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)非線性系數(shù)可以表征金屬應(yīng)力腐蝕狀況[6]。 閆紅娟利用非線性超聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對金屬疲勞損傷壽命預(yù)測[7],總的來講,將非線性超聲技術(shù)應(yīng)用于金屬材料早期損傷檢測的研究報(bào)道相對較多[8],Kim G等采用非線性超聲對循環(huán)加載下的混凝土微觀裂紋進(jìn)行了監(jiān)測, 證明其在損傷檢測方面具有可行性[9],鄧燕燕研究了復(fù)合材料孔隙率與非線性系數(shù)的關(guān)系,提出了評價(jià)方法[10]。在復(fù)合材料損傷研究方面, 黃遠(yuǎn)航和張發(fā)友對復(fù)合材料進(jìn)行損傷檢測,發(fā)現(xiàn)非線性系數(shù)與損傷情況相關(guān)[11,12],張青松對沖擊載荷作用下的復(fù)合材料進(jìn)行非線性超聲檢測[13],張玉龍等對復(fù)合材料層合板進(jìn)行了拉損傷檢測[14],都證明了非線性技術(shù)可以反映復(fù)合材料損傷情況。 然而復(fù)合材料的非線性損傷過程較為復(fù)雜, 而超聲穿過不完美界面產(chǎn)生的非線性效應(yīng)又受多方面影響, 故采用單一手段檢測復(fù)合材料存在不足, 筆者采用聲發(fā)射技術(shù)聯(lián)合非線性超聲檢測技術(shù)對階梯加載下的復(fù)合材料進(jìn)行損傷檢測, 以期實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料更加完善的損傷評價(jià)。

        1 理論部分

        在線性聲學(xué)的討論中[15],當(dāng)聲波以小振幅傳播時,質(zhì)點(diǎn)速度、位移和媒質(zhì)的密度相較聲速、聲波波長和靜態(tài)密度都是微小量, 材料非線性對波的影響可以忽略,認(rèn)為聲波以線性傳播,但當(dāng)聲波以有限振幅或稱大振幅聲波傳播,媒介應(yīng)變?yōu)橛邢薮笮r,為解釋聲波的非線性現(xiàn)象,理論方面就需要波動方程可以體現(xiàn)聲波的非線性,在材料中引起聲波非線性變化的因素主要有材料非線性、幾何非線性、接觸非線性、邊界非線性及場耦合非線性等[16],非線性超聲的損傷檢測應(yīng)用就是通過檢測由損傷引起的聲波非線性變化進(jìn)而判斷材料損傷狀況,筆者將通過檢測超聲非線性系數(shù),監(jiān)測損傷變化情況。

        根據(jù)經(jīng)典非線性理論, 在有限振幅激勵下,材料的一維應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可表示為[17,18]:

        通過微繞法求解波動方程, 設(shè)位移u由線性位移解u(0)和非線性位移解u(1)兩部分組成[21],即u=u(0)+u(1)。 設(shè)發(fā)射端激發(fā)正弦波,將兩個位移解的結(jié)果合并表示如下:

        更高階的三次諧波非線性系數(shù)同樣可以通過波動方程求解,其相對三次非線性系數(shù)可表示為δ′:

        式中 A3——三次諧波振幅。

        2 實(shí)驗(yàn)部分

        2.1 加載形式

        本次實(shí)驗(yàn)試件均采用T700碳纖維碳布層合板作為研究對象,材料參數(shù)如下:

        加載設(shè)備采用CMT-5000萬能電子拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)對材料進(jìn)行循環(huán)階梯加載損傷,實(shí)驗(yàn)按照加載壓力階梯不同共設(shè)置兩組,分別為5.0 kN 和2.5 kN,并將對應(yīng)壓力階梯下的實(shí)驗(yàn)試件分別命名為試件a和試件b。 兩組加載實(shí)驗(yàn)的載荷范圍均為0~45 kN,且每級循環(huán)最低點(diǎn)均為0 kN,為使材料穩(wěn)定受載,加載速率設(shè)定為100 N/s,同時為使聲發(fā)射可以采集更多有效數(shù)據(jù),保載時間設(shè)為5 min。

        2.2 聲發(fā)射檢測

        聲發(fā)射技術(shù)已被大量實(shí)驗(yàn)證明可以有效檢測復(fù)合材料損傷, 此次實(shí)驗(yàn)采用寬頻聲發(fā)射探頭,頻寬可達(dá)到1 MHz,傳感器按110 mm間距分布于試件一側(cè)。

        2.3 非線性超聲檢測

        本實(shí)驗(yàn)采用美國RETIC公司自主開發(fā)生產(chǎn)的RAM-5000 SNAP非線性超聲系統(tǒng),該超聲測試系統(tǒng)主要由衰減器、濾波器組件及傳感器等構(gòu)件組成,超聲探頭采用中心兩側(cè)相對布置形式。 當(dāng)發(fā)射端發(fā)射7個周期中心頻率為2.25 MHz的高頻脈沖串作為超聲信號時(圖1a),布置于另一端的3 MHz寬頻探頭將負(fù)責(zé)接收透射過材料的超聲信號(圖1b),實(shí)現(xiàn)聲波的發(fā)射與接收,超聲信號的檢測在每次循環(huán)卸載的最低點(diǎn)完成。

        圖1 激發(fā)、接收信號

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        3.1 聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        實(shí)驗(yàn)從0 kN加載至45 kN,圖2分別為試件a、b在對應(yīng)加載方式下的加載曲線和聲發(fā)射檢測結(jié)果,從加載圖中的聲發(fā)射信號可以看出隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加, 信號幅值和數(shù)量呈現(xiàn)增長趨勢,這表明材料加載過程中已出現(xiàn)損傷并隨載荷的增加逐步加劇。

        圖2 不同試件的加載曲線和聲發(fā)射檢測結(jié)果

        由圖2a可知, 試件a在10 kN階段開始產(chǎn)生少量聲發(fā)射信號, 且信號以小于60 dB的低幅值信號為主,當(dāng)載荷增加至25 kN階段,聲發(fā)射撞擊計(jì)數(shù)出現(xiàn)加速增長趨勢,且幅度分布范圍為50~80 dB,隨著載荷的不斷增大,在40、45 kN階段,出現(xiàn)部分大于80 dB的高幅值信號, 同時伴隨中低幅值信號的同步增加。 從加載過程聲發(fā)射信號的經(jīng)歷變化趨勢來看, 在25 kN以后伴隨載荷增大,試件內(nèi)部損傷逐步擴(kuò)展,且幅度分布范圍較寬,損傷類型較多。 對比圖2b可以看出,當(dāng)增加加載次數(shù),減小載荷間隔,試件b在加載5 kN時產(chǎn)生高幅值信號,隨后在10~35 kN階段信號呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢,且幅度分布較寬,隨著加載繼續(xù),在30 kN階段信號數(shù)量明顯增多, 幅值分布較為均勻,變化范圍與前加載階段相近均在50~80 dB,在37.5~45.0 kN階段, 聲發(fā)射信號出現(xiàn)大于80 dB的高幅值信號,且中低幅值信號也同步增加,從聲發(fā)射信號變化趨勢可以看出,材料在10~35 kN階段呈現(xiàn)穩(wěn)定損傷積累,到達(dá)37.5~45.0 kN階段,材料出現(xiàn)損傷擴(kuò)展加劇態(tài)勢。

        3.2 非線性超聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        應(yīng)用非線性超聲技術(shù)針對試件a、b分別在每級循環(huán)卸載處進(jìn)行非線性超聲二次、 三次系數(shù)測 量,并對比統(tǒng)計(jì)檢測結(jié)果與聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)(圖3)。

        圖3 不同試件卸載狀態(tài)非線性系數(shù)

        由圖3a可知,試件a在5 kN加載循環(huán)后,聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)相對較少, 信號增大趨勢不明顯,表明在該壓力階段聲發(fā)射對于損傷變化并不敏感,而對比二次非線性系數(shù)的變化趨勢可以看出,在5 kN以后二次非線性系數(shù)出現(xiàn)第1次較大增幅,直至20 kN一直保持其變化趨勢,這表明在0~20 kN加載早期階段中,非線性超聲相對于聲發(fā)射對早期加載階段的損傷更加敏感。 隨著早期加載階段的結(jié)束,聲發(fā)射計(jì)數(shù)和非線性系數(shù)在35 kN載荷前,信號均可保持基本穩(wěn)定趨勢,當(dāng)載荷增大至30 kN時,振鈴計(jì)數(shù)開始明顯升高,隨后二次非線性系數(shù)出現(xiàn)第2次較大增幅, 并持續(xù)增大至加載結(jié)束, 從圖4a非線性超聲頻譜圖中也可以看出,加載結(jié)束時的基波幅值相比初始未加載前有明顯降低。 在此基礎(chǔ)上,增加載荷間隔,其結(jié)果如圖3b所示,試件b在2.5 kN加載循環(huán)后,首次出現(xiàn)聲發(fā)射信號,但直至27.5 kN加載階段前,聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)一直相對較少,而對比二次非線性系數(shù)可以發(fā)現(xiàn),在初始到20 kN階段早期加載過程中,系數(shù)出現(xiàn)與試件a相同的遞增現(xiàn)象,隨后直至27.5 kN一直保持基本穩(wěn)定趨勢,隨著載荷增大至30 kN開始,聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)開始出現(xiàn)升高,隨后隨著載荷進(jìn)一步增大,振鈴計(jì)數(shù)隨之也呈現(xiàn)快速升高趨勢, 而對比二次非線性系數(shù)可以發(fā)現(xiàn),從30 kN開始系數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢,并隨載荷遞增,下降幅度逐級增大,從圖4b可以看出加載結(jié)束時的二次諧波相比初始未加載前有明顯降低。

        圖4 不同試件初始、結(jié)束狀態(tài)頻譜表征

        經(jīng)分析可知,隨著損傷加劇裂紋間距逐步擴(kuò)展,致使部分聲波無法穿過損傷界面,因而導(dǎo)致非線性系數(shù)降低,而聲發(fā)射由于采集的是損傷過程中活性缺陷發(fā)出的信號,所以在缺陷擴(kuò)展過程中依然表現(xiàn)為信號的增加,從圖3可以看出,計(jì)數(shù)的增加量與二次非線性系數(shù)的降低程度也基本吻合。

        對比兩組實(shí)驗(yàn)可以看出, 試件b的損傷程度比試件a更加嚴(yán)重,這表明2.5 kN的階梯加載方式相比5.0 kN的更易造成材料損傷。 在兩種加載方式下的早期加載階段(20 kN以下加載段),二次非線性系數(shù)均呈現(xiàn)出遞增趨勢,而聲發(fā)射信號在該階段卻并不明顯, 然而隨著載荷的繼續(xù)升高,聲發(fā)射計(jì)數(shù)始終呈現(xiàn)與損傷一致的遞增趨勢。 而二次非線性系數(shù)與聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)在試件b加載過程下的擴(kuò)展階段呈背離趨勢, 但變化程度相近。 從二次非線性系數(shù)與三次非線性系數(shù)對比來看,二次系數(shù)相較更具有規(guī)律性。

        4 結(jié)論

        4.1 實(shí)驗(yàn)表明, 在2.5 kN和5.0 kN兩組實(shí)驗(yàn)壓力階梯下的早期損傷階段 (20 kN以下加載段),二次非線性系數(shù)相比聲發(fā)射技術(shù)均展現(xiàn)出對早期損傷更加敏感的特性,且隨著損傷程度加劇呈現(xiàn)出遞增趨勢。

        4.2 隨復(fù)合材料損傷程度加劇,非線性系數(shù)將與聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)呈背離趨勢,但變化程度基本相近。

        4.3 在對2.5 kN和5.0 kN兩組實(shí)驗(yàn)壓力階梯下的損傷全過程分析中發(fā)現(xiàn),二次非線性系數(shù)相比三次非線性系數(shù)在損傷表征方面展現(xiàn)出更強(qiáng)的規(guī)律性。

        4.4 由于非線性超聲的主動檢測性,使得其相比聲發(fā)射技術(shù)具有在檢測過程中無需加載即可反映早期損傷的優(yōu)勢,但聲發(fā)射技術(shù)參量與復(fù)合材料損傷程度更具有一致性。

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