超高性能混凝土断裂全过程声发射分形特征及损伤机理

为研究超高性能混凝土(UHPC)轴拉破坏全过程的声发射(AE)机理和分形特征,首先,开展了不同钢纤维(端钩形、微波纹形和直圆形)增强的UHPC轴拉试件破坏试验,得到UHPC轴拉破坏过程中的声发射信号;其次,利用快速傅里叶变换计算信号的主频,分析主频在试验过程中的分布特征;然后,基于分形理论利用分形盒维度计算方法对信号进行分形分析,并探究分形盒维度与主频之间的关联性;最后,利用小波包变换方法计算破坏过程中的平均频带能量,分析不同应力状态下各频带能量的演变规律。试验结果表明：变形纤维的端钩和波纹与基体滑移过程产生较高的主频信号,而直圆纤维与基体滑移过程产生较低的主频信号;试件破坏阶段主频段信号分布增多,但依然以基体微裂和钢纤维相对滑移为主;分形盒维度在试件开裂前分布较集中,且在即将破坏时分形盒维度增大,开裂后变分散,新生微裂纹产生的信号分形盒维度与开裂前类似,宏观裂纹扩展产生的信号分形盒维度降低;平均分形盒维度随主频的增大而增大,呈近似二阶多项式变化,主频越高的信号复杂程度越高;AE信号能量集中于1～4频段,不同纤维增强试件的主要能量在频段上的分布不同,但在即将破坏时所有试件能量均由低频向...     

混凝土声发射信号频率特征与强度参数的相关性试验研究

对不同强度指标的混凝土试块进行抗压试验,应用声发射及其定位技术对抗压试验全过程进行同步监测,分析混凝土受载破坏过程中声发射频率特征参数与混凝土强度指标的关系,研究混凝土受载破坏过程中内部裂纹的三维空间演化规律。研究结果表明:混凝土强度指标影响混凝土声发射信号频率特征参数。结合荷载-位移曲线对声发射振铃计数率和能率进行分析,发现C10和C20混凝土(低强度混凝土)声发射信号主要集中于弹性阶段初期和中期;C30和C40混凝土(中等强度混凝土)声发射信号处于受压全过程,声发射活跃期处于极限荷载处。通过对混凝土声发射事件进行空间三维定位,从微观上探明受载混凝土裂纹的萌生、发展和贯通的演化规律,对受载混凝土内部结构的变化有了直观的认识。     

碾压混凝土断裂试验分析与静动态断裂韧度关系研究

碾压混凝土开裂破坏是一个＂损伤——开裂——裂缝扩展——断裂失稳＂动态演变过程,为摸清其损伤断裂理与规,本文完成了12根实际坝体材料碾压混凝土三点弯曲梁试验,分析了强度等级、缝高比对碾压混凝土断裂特性影响.以材料静态断裂试验为础,通过研究声发射信号参量与动态荷载下裂缝扩展关系,到了动静态断裂韧度转化关系.最后利用有限元对武都重力坝裂缝在地震作用下开裂破坏进行分析,为实际坝体混凝土裂缝安全评价提供科学依据.     

声发射和分形理论的玄武岩纤维高强沙漠砂混凝土受剪梁损伤模型

以新疆地区沙漠砂作为细骨料部分替代工程用砂,并在混凝土中掺入适量玄武岩纤维,制作了9根不同剪跨比、玄武岩纤维掺量和配箍率的玄武岩纤维高强沙漠砂混凝土梁,通过两点对称加载进行受剪破坏试验。基于声发射技术与分形理论对受剪梁损伤演化过程进行研究,定量分析了受剪梁损伤演化与不同变量因素间的规律。研究结果表明：声发射累计能量的增长随梁的破坏过程呈指数趋势,能量参数及梁表面裂缝分形维数随荷载水平的增大而增大,最大分形维数达到1.206 8。在相同荷载水平下,当剪跨比为1.5、纤维体积掺量为0.4%时,试验梁损伤最小。建立了基于声发射参数和试验梁表面裂缝分形维数的受剪损伤模型。     

砂浆板冲击荷载下声发射定位试验研究

在混凝土静载声发射研究基础上,提出基于声发射定位的混凝土冲击荷载研究方法,通过锤击、均匀冲击荷载试验,采用逐级递增循环冲击加载方式研究砂浆板的破裂失稳过程,及其内部裂纹萌生、扩展形成裂缝至最终贯穿的演化模式。结果表明,声发射事件产生主要由裂缝扩展引起,并随冲击力变化表现不同特征:在初始冲击荷载至初始裂缝出现之前,声发射活动不明显;随动载增大试件出现裂纹,声发射事件明显增多;裂纹稳定扩展成裂缝至贯穿前声发射活动异常活跃,声发射事件变化率最大;裂缝一旦贯穿继续冲击不再出现声发射活动。裂缝贯穿瞬间虽不产生声发射事件,但仍可根据声发射定位图走势推断。     

火灾下钢-混凝土组合楼盖的声发射特性

为研究火灾下钢-混凝土组合楼盖的声发射特性,利用声发射采集仪对火灾下长跨跨中布置次梁的足尺钢-混凝土组合楼盖进行监测。火灾模拟环境为ISO 834标准升温曲线,通过对钢-混凝土组合楼盖的板角、周边、跨中等关键位置处的声发射数据进行滤波分析,研究典型的声发射特征参数(计数、累计计数、幅值和能量),并结合试验破坏的宏观现象,探讨了火灾下钢-混凝土组合楼盖的传力机理及与声发射参数特征的关联。研究结果表明:火灾作用下钢-混凝土组合楼盖的声发射参数随截面温度的非线性变化表现出不同的特征,且与混凝土板面上裂缝开展的不同阶段相吻合,这与材料和结构的力学行为密切相关;试验过程中,声发射源信号在升温初期最为活跃,这与声发射信号中计数(振铃)和累计计数曲线的转折点特征吻合,可以用来反映裂缝开展的过程、分布区域和密集程度;声发射事件在空间位置上的分布特征变化是结构失稳和内部损伤产生的重要前兆,声发射信号本身的强弱(幅值、能量等参数)需特别关注;降温时,组合结构中钢梁、混凝土板间热膨胀系数的差异使得两者之间会有错动产生,直接导致该阶段的声发射信号仍然较为活跃,建议今后建立火灾下结构倒塌的声发射预警系统时予以关注。     

贺兰山岩画典型病害损伤的声发射演化特征研究

裂(隙)纹是宁夏贺兰山岩画表面完整性严重破坏的典型病害问题.本研究基于声发射原理,利用单轴压缩试验模拟岩画载体材料岩石所受荷载,分析岩画载体材料强度破坏模式,获取声发射信号特征,探究AE时空演变规律,建立基于声发射累计振铃计数的损伤演化模型.研究结果表明：岩石破坏呈现“圆锥形”,其损伤发展主要经历原生裂纹闭合、次生裂纹发育以及裂纹贯穿破坏3个演化历程;损伤演化模型的力学和物理意义明确.声发射特征与变形特征紧密相关,能够表征岩石内部损伤过程,可以用来判断岩样岩石内部(微)裂纹状态,为石质文物载体材料裂纹扩展至破裂失稳这一热点和难点问题提供解决思路.     

基于广义维数与优化BP神经网络的刀具磨损量预测

根据多重分形理论,采用改进的盒计数法计算了切削加工过程中声发射(AE)信号的广义分形维数,得到了不同刀具磨损状态下AE信号的广义维数谱,分析了广义维数与刀具磨损量之间的关系.以广义分形维数以及切削加工参数为特征,进行归一化处理后作为BP神经网络输入向量;采用遗传学算法,对BP神经网络的初始权值和阈值进行了优化,利用优化后的神经网络对刀具磨损量进行预测.测试结果表明,该方法可以较精确地预测刀具磨损量,平均预测误差为001mm.     

声发射地应力测量中凯塞点的确定

准确判断凯塞点是岩石声发射地应力测量中的重点和难点 ,目前还没有一种有效的确定方法。对砂岩声发射试验中声发射信号的重标区间 (R/S)进行了分析 ,发现lg(R/S)与时间间隔对数值具有很好的线性相关性 ,相关系数均大于 0 .97,这表明声发射信号曲线具有分形特征。研究还发现 ,不同载荷阶段声发射信号曲线的赫斯特指数 (H)可反映声发射信号强弱变化的趋势。当H >0 .5时 ,声发射信号趋于加强 ;H <0 .5时 ,声发射信号趋于减弱。根据这一规律 ,通过计算声发射信号曲线的赫斯特指数 (或分形维数 ) ,便可确定声发射试验中的凯塞点。实践证明这是一种确定凯塞点的有效方法。     

某型飞机水平尾翼疲劳试验的声发射实时监测

介绍了某型飞机水平尾翼功能试验过程中关键部件(包括不可接近部件)疲劳损伤的声发射(AE)实时监测技术.在强冲击、高振动背景噪声下,基于对模拟声发射源和背景噪声信号特征的分析,对采集数据进行了预处理,提高了数据的信噪比.对预处理后的AE信号特征参数进行趋势分析,结果表明,在长时间的疲劳试验过程中,由于试验环境的变化,背景噪声也发生相应的变化,AE信号特征参数的变化趋势能正确反映背景噪声变化的随机性和非稳态性.以半轴为例,AE信号特征参数(Hits)的趋势变化反映出半轴的疲劳损伤历程;通过AE信号的波形分析,基本确定了半轴初始疲劳损伤的形成时间和两对称的疲劳损伤源.     

基于离散元法与分形维数的沥青混合料间接拉伸试验

为掌握沥青混凝土内部损伤的演化过程及其裂缝扩展规律,首先在MTS万能试验机上进行沥青混合料间接拉伸试验,获取试验过程中的力、位移和时间参数;同时采用工业CT设备扫描试验前、后的试件,并通过灰度化、图像增强和阈值分割等数字图像处理技术,提取沥青胶砂、粗集料和空隙等组成部分信息;然后,基于所提取的信息建立离散元模型,进行间接拉伸仿真试验,观察试件裂缝的扩展过程,并采集仿真试验过程中的荷载、位移及单元颗粒间连接断裂数量N_(cb)等参数;最后,对比分析了室内试验和仿真试验的荷载-位移曲线特点;并基于N_(cb)提出了内部损伤度D_m,基于试件整体的裂缝图像提出了计盒维数指标D_c,分析了损伤度与裂缝扩展的关系。研究结果表明:室内试验与仿真试验的间接拉伸强度接近、荷载-位移曲线变化趋势相同且裂缝分布规律相似,验证了仿真试验的可行性。裂缝的扩展可分为萌生、扩展、贯通和贯通后4个阶段。在萌生和扩展阶段,细观损伤度D_m较低,而在贯通阶段较高。计盒维数D_c与裂缝扩展也密切相关,D_c在裂缝扩展的各阶段内单调变化且规律明显。因此,可利用计盒维数D_c对CT扫描得到试件的裂缝特征进行定量评价,确定裂缝的扩展程度,并基于裂缝与损伤的联系间接评价沥青混凝土内部损伤。该研究为沥青路面损伤评价提供了新的思路,即可根据路面裂缝状况评价其损伤程度。     

页岩气藏缝网压裂物理模拟的声发射监测初探

水力压裂模拟实验中,对水力裂缝的监测和识别是研究储层裂缝形态的基础。利用室内大尺寸真三轴水力压裂物理模拟装置对300 mm×300 mm×300 mm立方体页岩试样开展体积压裂实验,建立多通道声发射实验监测系统,在试样两个对称侧面布置声发射探头,采集实验过程中裂缝破裂时的声波信号,对裂缝缝网形成过程进行三维动态实时跟踪,可以明确水力裂缝起裂和裂缝扩展形态;再结合声发射计数曲线和泵压曲线可以实时监测水力裂缝不同扩展阶段,判别水力裂缝与天然裂缝相互沟通过程。监测过程发现,声发射累积次数最高点先于破裂压力点出现,水力裂缝扩展接收的声发射信号多于天然裂缝开启过程,地层破裂后泵压曲线的波动可以识别裂缝之间的沟通程度,打开试样观察示踪剂的分布特征进一步验证了声发射监测结果。     

不同初始孔隙率混凝土的声发射试验及损伤分形特征分析

为探索混凝土声发射信号特征参数与其损伤的演化关系,对单轴多级循环加载条件下的不同初始孔隙率混凝土试件进行了声发射试验.引入活跃系数对声发射现象发生的活跃程度进行表述,提出基于声发射能量评价混凝土服役状态的方法,分形理论分析了混凝土破坏过程中声发射能量分形维数（关联维数）的演化特征.结果表明:不同初始孔隙率混凝土试块声发射能量和声发射能量关联维数随加载进程的变化趋势基本相同,失稳破坏的临界位置相当.在混凝土破坏过程中,当声发射能量峰值下降后再次激增、能量均值超过100 m V· ms且活跃系数在20~70范围内连续放缓的现象出现时,预示混凝土材料的破坏.声发射能量关联维数随加载进程下降表明出现损伤,持续下降后并呈水平趋势,标志混凝土结构临近极限承载力.      

矿岩复合体加载损伤破坏的三维定位及表征

采用声发射(AE)信号分析仪,针对由不同强度矿岩组成的复合体以及胶结充填体/围岩复合体进行轴向载荷作用下的声发射监测。根据AE点分布、振铃计数、AE能量值变化来定位复合体的内部损伤破坏,并对复合体内部损伤引起的表壁裂纹扩展特征应用分形理论进行评估,同时借助软塑料薄片对复合体各部分的接触区域进行损伤破坏表征。研究结果表明,在加载初期,复合体中AE点较少,即将发生破坏时AE点剧增,同时复合体内部的AE点集中区域存在较大的宏观可见的破坏裂纹;软塑料薄片的破坏情况较准确地表征了不同强度介质接触面相互作用下的损伤特征;对表壁裂纹的分析有助于形成全面的复合体内部损伤破坏评估体系。     

声发射地应力测量中凯塞点的确定

准确判断凯塞点是岩石声射地应力测量中的重点和难点,目前还没有一种有效的确定方法。对砂岩声发射试验中声发射信号的重标区间（R／S）进行了分析,发现lg(R/S)与时间间隔对数值具有很好的线性相关性,相关系数均大于0．97,这表明声发射信号曲线具有分形特征。研究还发现,不同载荷阶段声发射信号曲线的赫斯特指数（H）可反映声发射信号强弱变化的趋势。当H＞0．5时,声发射信号趋于加强;H＜0．5时,声发射信号趋于减弱。根据这一规律,通过计算声发射信号曲线的赫斯特指数（或分形维数）,便可确定声发射试验中的凯塞点。实践证明这是一种确定凯塞点的有效方法。     

基于数字图像相关和声发射的岩质锁固段破坏试验研究

针对突发性强、隐蔽性强、监测预警难的锁固段型岩质滑坡,开展了对该类滑坡稳定性起关键控制作用的“锁固段”物理模型试验研究。首先,构建 “三段式”锁固段均质物理模型,采用声发射(Acoustic Emission, AE)和数字图像相关技术(Digital Image Correlation, DIC)捕获锁固段模型变形破坏全过程的微破裂事件AE信号和高清数字图像。其次,结合声发射b值统计分析和DIC数字图像微应变定量分析锁固段表面裂纹的萌生、扩展和演化,查明锁固段损伤破裂的时空演化规律。最后,采用高斯混合模型(GMM)对锁固段微破裂模式进行非监督聚类分析,并采用支持向量机(SVM)建立微破裂模式分类依据。结果表明：(1)锁固段变形破坏过程的声发射b值曲线具有明显的阶段性,且有明显的破坏前兆特征;(2)内部微破裂的孕育发展到一定阶段出现大裂纹扩展,释放频率更低、幅度更大的高能量信号,可作为其破坏前兆;(3)声发射信号蕴含破裂的丰富信息,GMM可实现微破裂机制(张拉和剪切)的分类,具备高RA和低AF特征的剪切破裂声发射信号的高频出现也可作为其破坏前兆。     

声发射技术用于诊断发动机活塞与缸套间磨损故障的实验研究

用实验方法研究了诊断发动机磨损故障的AE(AcousticEmission)技术 ,对发动机活塞与缸套间磨损过程产生的声发射信号进行了分析。实验结果表明 ,活塞对缸套的横向撞击 (侧推力 )是产生AE信号的主要原因 ;AE信号时域和频域指标对磨损状态变化反应较敏感 (即使是在发动机的早期磨损阶段 ) ,且不同的磨损状态与其产生的AE信号有很好的对应关系 ,因此 ,AE指标可以作为评价磨损程度和诊断磨损故障的标准。该研究为发动机磨损故障诊断提供了一种新的有效方法 ,并可为往复式机械设备的磨损故障声发射诊断提供依据。     

基于AE信号的新型砂轮点磨削状态监测方法

提出了一种基于声发射(AE)信号对新型点磨削砂轮磨削状态进行实时监测方法.建立了表面粗糙度与AE信号的对应关系,为监测磨削加工表面粗糙度提供了条件.采用单因素实验研究了各参数对AE信号RMS值的影响规律,结果进一步证明了AE信号与表面粗糙度的对应关系.对比分析了砂轮不同磨损状况下的AE信号,依据此信号可对磨削状态进行实时监测.为了区分声发射源性质的异同,对磨削过程中的AE信号进行了频谱分析,砂轮发生磨损时,AE信号在45~65kHz,80~90kHz,100~110kHz频段的能量升高显著,并且在15kHz附近出现了很高的尖峰,为监测磨削状态提供了一种可行且有效的方法.     

单轴压缩作用下CFST柱的声发射特征

通过对不同配筋率和不同壁厚钢管混凝土(CFST)柱进行单轴压缩声发射试验,对比分析了各试件破坏全过程的声发射信号特征.试验结果表明:试件的整个破坏过程可分为弹性段、弹塑性段、强化段和失效段四个阶段,声发射特征参数变化与试件破坏过程表现出较好的对应关系.声发射累积能量和累积撞击数均随荷载的增加而稳步增加;b值经历了缓慢上升、平稳波动、迅速下降的变化,反映了试件内部裂纹的逐步扩展情况;通过对声发射RA值、AF值分析可知,钢管混凝土柱的破坏过程既产生拉伸型裂纹又产生剪切型裂纹,随着荷载的增大,破坏中剪切型裂纹所占比例逐渐增多.研究表明声发射技术可以有效监测轴压下钢管混凝土柱的损伤状态.     

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.