钢制试件拉伸断裂及疲劳开裂声发射特征分析

设计钢制试件拉伸断裂和疲劳开裂两种损伤过程的声发射监测试验,对采集到的声发射信号进行参数分析,结合红外热成像检测结果,研究声发射信号特征参数与试验过程中试件力学行为之间的相关性.研究结果表明:拉伸断裂和疲劳开裂过程中试件声发射信号的能量、振铃计数、幅值等声发射信号特征参数能够很好地表征试件损伤过程的力学性能演化规律;试件出现损伤时所发出的声发射信号能量幅值主要分布在65～80 dB;声发射技术用于工程结构的健康监测是可行和有效的.     

纤维混凝土试件拉伸损伤声发射监测

研究不同纤维长度和掺量的水泥基复合材料拉伸实验,材料内部微结构破坏的声发射特性。结果表明,加载初期,拉应力较小,试件处于弹性阶段,混凝土内部没有新增损伤,故未接收到声发射信号;加载中期,随着拉应力的增大,混凝土内部出现较少损伤,声发射信号逐渐增多;加载后期,拉应力继续增大,混凝土内部损伤程度加大,声发射信号急剧增加,至试件断裂时,声发射信号达到最大。相应的纤维混凝土断裂过程包括:弹性阶段、开裂阶段、裂缝发展阶段、断裂阶段。     

利用声发射的往复空压机环状阀泄漏故障诊断试验

利用声发射信号对往复空压机气阀进行了故障诊断,并以某往复空压机的排气阀为例,结合有效电压和能量对气阀漏气、阀片裂纹、阀片断裂及阀片变形等故障进行了测量,从而获得了故障特征信号.研究结果表明:随转角变化的声发射信号包络波形能体现排气阀启、闭的特征位置,气阀漏气、阀片变形及断裂等会导致气阀启、闭特征位置发生变化;根据启、闭特征位置偏离度及相应的有效电压和能量,可以判断气阀故障的严重程度;声发射包络波形平均幅值及相应的有效电压和能量,可以体现气阀漏气、阀片变形及断裂等故障.通过试验结果还发现,阀片裂纹不能通过声发射信号来识别.     

风电叶片复合材料层间开裂声发射监测

通过对含Ⅰ型分层缺陷的单向和多轴向风电叶片复合材料试件进行拉伸力学性能实验,同时进行声发射全程监测,研究了含Ⅰ型分层复合材料在拉伸过程的损伤演化特性及声发射响应特征.实验结果表明:风电叶片复合材料Ⅰ型分层加载初始阶段载荷与张开位移之间呈现线性特征,当出现宏观裂纹扩展时两者呈现非线性关系.声发射监测数据显示,声发射信号的幅度、撞击累积数、相对能量等特征参量的动态变化可以反映出复合材料Ⅰ型分层损伤破坏过程.风电叶片复合材料声发射检测中可以依据信号的特征参量变化判断复合材料结构的损伤破坏程度.     

单轴压缩下松软煤样破裂损伤演化特性研究

为定量分析松软煤样在压缩过程中的破裂损伤演化特性,对自制正方体松软型煤进行单轴压缩试验,利用无损监测装置——声发射检测系统采集煤样内部损伤的声发射信号,使用非接触式全场应变测量系统采集煤样表面的数字散斑图像,讨论了单轴压缩下煤样的声发射振铃计数、能量与加载过程的对应关系,对比分析了有无预制钻孔煤样的声发射特征,运用数字图像相关方法统计了煤样表面散斑点数,提出了用以表征煤样内部损伤的以累计振铃计数为基准的振铃损伤变量,用以表征煤样表面损伤的以散斑数为基准的散斑损伤变量,获得了煤样损伤变量曲线。研究表明,无预制钻孔煤样声发射活动更加剧烈,能量幅度更高,钻孔的存在破坏了煤样的整体性,降低了煤样强度;声发射参数曲线与散斑数曲线均与煤样的加载曲线存在着分段对应的关系;振铃损伤变量曲线和散斑损伤变量曲线均可表示煤样的损伤演化过程,煤样内部和表面的损伤特征相互印证,综合分析更能准确的表达煤样的损伤情况。     

基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价

疲劳裂纹的萌生与扩展容易导致压力容器及管道的严重疲劳失效.因此就设备的安全可靠性而言,非常有必要对疲劳裂纹扩展过程进行监测,并对疲劳损伤程度进行评估.本文针对316LN不锈钢材料进行疲劳实验研究,利用直流电位法测量实验中的裂纹长度,得到了材料的疲劳裂纹扩展曲线.利用声发射技术对疲劳裂纹扩展过程进行监测,通过声发射多参数分析对疲劳损伤状态进行评价,同时建立了声发射参数与线弹性断裂力学参数之间的关系,并进行寿命预测.研究表明:声发射能够对316LN不锈钢的疲劳裂纹损伤进行有效评估,声发射累积参数如累积计数、累积能量和累积幅值曲线上的转折点标志着疲劳裂纹进入快速扩展阶段,这可以为工程人员提供失效预警;声发射波形和频谱分析表明,噪声信号的幅值较小且信号持续时间较长,信号包含的频率成分比较复杂,而裂纹扩展信号是突发型信号,衰减较快,信号频率主要集中在80～170 kHz范围内;声发射计数率、能量率和幅值率与应力强度因子幅度以及疲劳裂纹扩展速率之间呈线性关系,裂纹长度预测结果与实测值接近.本研究工作对于工程结构的疲劳失效预警和剩余寿命预测具有重要意义.     

单轴压缩下煤体声发射特征及损伤演化过程分析

声发射是煤等脆性材料破坏过程中经常伴随的现象,是脆性材料因外力受损在其内部以弹性波快速释放出来的应变能,因应力分布不均匀所导致的由不稳定高能态向稳定的低能态过渡时产生的松弛过程,其活动性反映了煤微观破坏的活动性.通过声发射振铃计数率和能量计数率的特征研究了煤岩在各阶段的损伤演化过程,确定了煤损伤各个阶段的损伤临界值.     

胶合板加载损伤的声发射信号小波包特征提取

为识别胶合板的不同损伤类型,将小波包时频分析与能量谱相结合,提出基于时频和频段能量占比的胶合板损伤声发射信号特征提取方法。结果表明:3层胶合板表板断裂信号以膨胀波和弯曲波模式并举,频谱较宽,能量主要集中在小波能量谱的第1、2、3、4和7频段;5层胶合板表板断裂信号频率单一,幅值较高,以膨胀波为主;整板断裂主要以弯曲波模式为主,频率较低,能量多集中于第1、2频段;脱胶和3层板整板断裂信号波形为膨胀波和弯曲波混合型,弯曲波为主,能量多集中于第1、2、3、4频段。实验表明,频谱、小波包时频、小波包能量谱联合分析,能够识别各种加载破坏形式对应的声发射信号特征。     

火灾下钢-混凝土组合楼盖的 声发射监测及分析

为研究火灾下钢-混凝土组合楼盖的损伤机理,利用声发射技术对组合楼盖不同位置处的声发射信号进行监测.通过声发射系统采集的振铃计数、幅值、能量和持续时间等基本参数,结合试验宏观现象,对声发射进行振铃计数分析、RA-AF关联分析和b值-能量分析.研究表明:根据振铃计数信号,可判断构件的裂缝开展密集程度及内力变化,在降温阶段,次梁会对钢筋混凝土板产生剪切裂缝,使结构产生二次破坏;RA-AF关联分析能准确地判断出组合楼盖的失效模式,可根据其失效模式进行相应的内力分析;b值-能量分析可反映出试件破坏时的能量变化及试件的损伤程度,并推断出构件是否达到相应的破坏状态.     

真三轴岩爆试验下三类岩石力学特性及声发射特性研究

为研究同一矿山环境下不同岩性岩石的岩爆发生发展规律，利用真三轴试验系统和声发射监测系统对大理岩、花岗岩、矽卡岩进行应变型岩爆模拟，并对三类岩石的力学特性和声发射特征参数进行分析.研究结果表明：三类岩石的三轴抗压强度从高到低依次为矽卡岩、花岗岩、大理岩.三类岩石在岩爆模拟过程中均可划分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段、裂隙不稳定扩展阶段、岩爆后阶段.三类岩石在孔隙压密阶段的声发射特征参数均表现为累计振铃计数和累计绝对能量小幅增长、b值轻微波动，说明此阶段三类岩石内部产生的裂纹均较少.大理岩与矽卡岩均在裂隙不稳定扩展阶段开始出现累计振铃计数和累计绝对能量的大幅增长以及b值的剧烈波动，花岗岩则从弹性变形阶段就开始出现这些变化，说明花岗岩内部破裂的发生时间更早.在破坏形式上，大理岩与矽卡岩的张拉破坏占比更大，花岗岩则发生张剪混合破坏.     

基于核密度估计方法的涤棉混纺纱拉伸断裂声发射信号分析

为了研究涤棉混纺纱拉伸断裂过程中各组分纤维的断裂情况,自主搭建了声发射信号采集装置,分别采集纯涤纶、纯棉和涤棉混纺环锭纱的拉伸断裂声发射信号,采用HHT和ICA分析方法将声发射信号的时域信号转换成频域信号,并提取特征量频率与幅值。基于核密度估计方法对涤棉混纺纱的拉伸过程中涤纶与棉纤维的声发射信号进行分析。结果表明:涤棉混纺纱拉伸过程中其组分纤维的声发射信号可以用特征频谱表征;在拉伸过程的每一个阶段,各种材料声发射特征频谱的不同可以由特征频率的核密度估计表达,并可推测其组分纤维的断裂次序。     

单轴载荷作用下岩石损伤演化及声发射特性研究

本文通过对两种不同岩石试样进行了单轴载荷破坏过程中声发射特性试验,得到了岩石全应力应变破坏过程中,声发射事件时间序列、事件累计数时间序列等声发射特性,分析了岩样损伤破裂不同阶段与声发射参数的内在联系与特征规律,研究表明,声发射信息反映岩石内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,通过声发射事件数参数拟合出的理论应力应变曲线能够合理地反映岩石实际的应力应变和损伤演化特性,对预测预报岩石破坏失效的过程具有有着极其重要的理论价值和实际意义。     

单轴压缩声发射试验的页岩损伤演化规律

为获得受载页岩准确的损伤演化规律和声发射特征,完善以往受载岩石损伤单调增大的理论,进一步扩展对受载岩石内部损伤演化机理的认识,对陆相页岩进行单轴压缩声发射试验。试验结果表明:页岩单轴压缩过程分为4个阶段:压密阶段-弹性变形阶段-弹塑性变形阶段-峰后破坏阶段,压密阶段、弹性变形阶段和弹塑性变形前期有少量声发射信号,页岩峰值应力前后有大量声发射信号,特别是峰后破坏阶段,声发射信号急剧上升,声发射探头能够捕捉岩石的压密、裂纹的扩展和连通信息,声发射信号能够反映页岩内部微细观损伤演化过程;页岩平行层理面方向和垂直层理面方向的岩石损伤演化和声发射特征差别较大,因此对于层理性岩石不能忽略层理对岩石力学性质的影响;页岩压密阶段内部的微孔洞、微裂隙、宏观裂缝、层理被压实,损伤减小,页岩弹性模量不降反增,应力-应变曲线呈下凹型,首次提出受载岩石损伤先减小后增大,建立了更加合理的基于声发射特征的页岩单轴压缩损伤本构模型。     

深部灰岩劈裂破坏的声发射损伤表征

开展深部岩石的损伤破裂信息识别研究对岩体稳定性监测预警具有重要的指导意义。通过开展深部灰岩巴西劈裂声发射试验,分析了试验采集到的声发射实测全波形演化特征,在信号频域内提取了波形的主频,在时域内计算了特征参数的RA-AF值。研究结果表明:通过声发射实测全波形,可将岩石损伤过程细分为微损伤萌生阶段,裂纹扩展阶段和结构破坏阶段;低幅值波形多为连续型信号,高幅值波形则多为突发型信号;声发射频谱结构与损伤量及损伤程度密切相关,主频具有聚类分布特征,能够对应岩石微观及宏观破坏;基于声发射主频划分的RA-AF分界线,促进了声发射信号表征岩石破裂模式由定性分析向定量分析的转变。     

水泥土无侧限压缩的声发射信号特性研究

为研究水泥土在无侧限压缩过程中的声发射信号特性,利用声发射技术对水泥土的无侧限压缩过程进行全程监测。通过对水泥土力学特性参数进行分析,得到水泥土在无侧限压缩下应力随时间的变化过程大致分为四个阶段;同时运用声发射特性参数分析法对水泥土试件的声发射信号参数经历图和分布图进行分析,得出水泥土压缩过程中各声发射特性参数也大致分为四个阶段,每个阶段与力学特性参数各阶段基本相一致;通过对声发射信号特征参数的四个通道分析和对比各通道传感器处试件受破坏后的试验实图,验证了声发射信号参数能准确反映材料的破坏程度,为以后用声发射技术预报、检测结构破坏过程和破坏程度提供了依据。     

基于NMR和声发射的砂岩疲劳损伤试验研究

为科学地评价工程岩体的长期稳定性和安全性,在实验室条件下对饱水砂岩开展循环加卸载试验,结合声发射技术与核磁共振分析技术两种手段探究其宏细观变形及疲劳损伤演化规律.研究结果表明:在循环荷载作用下,砂岩的声发射能量分布规律与轴向累积残余变形发展规律、应力-应变曲线滞回环变化规律一致,均能反映岩石在重复应力的作用下逐渐劣化至发生破坏;岩石疲劳损伤过程中的声发射能量幂律特征具有时间序列上的尺度不变性,循环中期幂指数可有效表征全过程能量分布;根据T₂谱结果,定义系数K₂为细碎裂隙与较大裂隙体积之比,循环过程中K₂一直处于增加的状态,当K₂值急剧下降时,砂岩有破坏的前兆;试件的AE特征与NMR特征均能体现岩石内部孔裂隙变化,其结果具有一致性,反映出岩石破坏是局部变形累积引起的整体疲劳损伤.      

基于声发射时频特征的岩石破裂前兆识别方法

为得到岩石破裂的有效前兆信息,通过时频分析方法研究了白云岩破裂的声发射波形信号。对取样于2008年汶川地震引起的东河口滑坡源区的白云岩样品开展三轴多级循环加载试验,分析其力学及声发射特性,并从声发射波形时频特征分析岩石破裂前兆信息。在声发射波形参数（主频）的基础上提出一个新的特征参数：主主频（即最大主频）,对13个主主频关键点进行傅里叶变换（FT）和三维短时傅里叶变换（3D-STFT）,分析其时频演化特征,以期得到岩石破裂有效的前兆信息。研究结果表明：声发射事件率、累积振铃计数和能量均反映白云岩试样受力破裂过程的动态演化规律;白云岩试样的主频呈带状演化,破裂前兆表现为高频区间向低频、中频区间转移,累积主频曲线的斜率在891s处达到峰值,可作为岩样破裂的前兆信息之一;在6次循环加、卸载中,主主频呈现高频率值与低频率值交替出现的规律,将主主频突降的第11个点（784s）作为预警前兆之一,相比主频预警点（891s）提前了107s。对比分析可知主主频能获取更为细节的岩石破裂前兆信息,从而为岩石破裂预警提供科学依据和理论基础。     

工程陶瓷破坏与增韧的声发射研究

针对陶瓷材料在受载破坏过程中会产生大量的声发射信号的问题,应用声发射(AE)研究了95%氧化铝(Al₂O₃)陶瓷和15%氧化锆增韧氧化铝(ZTA)陶瓷压缩加载下的破坏过程. 通过时域抽取快速傅里叶变换(DIT-FFT)技术给出了陶瓷破坏过程的频谱图. 实验分析了两种陶瓷的声发射波形图、频谱图、撞击数和信号幅值,研究结果表明,声发射方法可以更直观地描述增韧效果,颗粒增韧陶瓷断裂时产生的声发射信号具有更高的幅值和更低的频率.     

钢筋混凝土材料损伤的声发射信号处理

针对钢筋混凝土材料试件进行了加载破坏试验,采用小波变换对现场采集到的混凝土断裂过程中的声发射信号进行分析处理。试验结果表明用小波变换进行消噪处理,噪声消除效果显著,提高了声发射信号对结构健康监测的准确性,为实际监测钢筋混凝土材料的损伤提供了依据。