CN105445377A - 基于声发射技术判别c/c复合材料结构损伤程度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空航天无损检测技术领域，具体涉及一种基于声发射技术判别C/C复合材料结构损伤程度的方法。当C/C编织复合材料结构损伤程度轻微时，微小损伤源的发生和产生应力波的特点服从平稳概率分布，声发射事件数和振铃计数与能量计数呈等比例增长趋势；当损伤程度比较严重时，会出现一组包含大量振铃计数和高能量计数的撞击链，表现在两者相关图上就是曲线出现拐点，包络线斜率明显增大；对于特定结构的C/C编织复合材料，一组包含大量振铃计数的、高能量的声发射事件发生，撞击计数与振铃计数及其相关曲线出现明显拐点处的载荷，与最终破坏载荷的比值在一定范围内；记录拐点发生时的结构承载载荷，针对一定的结构，可以预测出结构的破坏载荷。
Description
技术领域
本发明属于航空航天无损检测技术领域，具体涉及一种基于声发射技术判别C/C复合材料结构损伤程度的方法。
背景技术
在航天领域，尤其是高速飞行器的耐高温结构，现在大量采用C/C复合材料设计其承载结构。与传统的金属材料在破坏前通常会先发生塑性变形、裂纹扩展不同，复合材料，尤其是C/C编织复合材料这种新型材料，在破坏前预警方面的研究还比较不足。
声发射是一种有效的可实时在线检测损伤源的无损检测技术，其可以实时监听结构在承载过程中由于应力集中或裂纹扩展而释放的应力波，因而可适用于复杂结构的无损检测，且由于其被动监测的特点，亦可以探测到更加危险的活动性损伤。由于声发射信号来源于真实的损伤源，因此其中包含损伤的多方面信息。寻找一种从声发射信号中提取有效特征，并建立起其与损伤情况对应关系的方法，对于及时评估损伤情况，预警结构突然破坏失效十分有用。避免预警外的破坏试验，可大大降低试验危险性，并能节省大量试验经费。从损伤力学角度对试验件进行评价，可以以此为切入点对结构设计部门提出更多有用的建议。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于声发射技术判别C/C复合材料结构损伤程度的方法，该方法使用声发射监测C/C复合材料结构的承载过程中的应力波释放情况，并通过分析声发射特征参数中的撞击计数与振铃计数和能量计数随时间增长的相互关系来判别结构的损伤程度，并预测结构的破坏载荷。
本发明所采取的技术方案为：
一种基于声发射技术判别C/C复合材料结构损伤程度的方法，该方法如下：
(1)当C/C编织复合材料结构损伤程度轻微时，微小损伤源的发生和产生应力波的特点服从平稳概率分布，声发射事件数和振铃计数与能量计数呈等比例增长趋势；当损伤程度比较严重时，会出现一组包含大量振铃计数和高能量计数的撞击链，表现在两者相关图上就是曲线出现拐点，包络线斜率明显增大；这个过程可能反复几次，导致相关曲线越发严重脱离，直至最终结构破坏；
(2)对于特定结构的C/C编织复合材料，一组包含大量振铃计数的、高能量的声发射事件发生，撞击计数与振铃计数及其相关曲线出现明显拐点处的载荷，与最终破坏载荷的比值在一定范围内；记录拐点发生时的结构承载载荷，针对一定的结构，可以预测出结构的破坏载荷。
对于情况(1)在结构损伤轻微的加载阶段，撞击计数和振铃计数与能量计数在数量级上有很大区别，但是其随时间增长的趋势基本一致，在左右使用不同的坐标单位时，两个参数随时间增长的曲线趋势相同且接近重合。
对于情况(1)在结构损伤发展至比较严重的阶段，振铃计数和能量计数随时间发展的曲线斜率突然增大，两条曲线发生明显的脱离；以撞击计数作为横轴，振铃计数与能量计数作为纵轴，即会看到明显的相关曲线从斜率稳定的近似直线出现阶跃，发生拐点的现象。
该方法的具体实施步骤如下：
第一步：在C/C编织复合材料结构上布置声发射传感器，并设置声发射采集系统的监测显示界面；
在采集系统的监测显示界面上添加撞击计数、振铃计数和能量计数随时间发展的累计历程图；将撞击计数与振铃计数作为一个图中的左右主副纵坐标，将撞击计数与能量计数作为令一个图中的左右主副纵坐标；
第二步：使用声发射采集系统监测C/C编织复合材料结构在承载过程的应力波释放情况，预警结构的严重损伤；
在承载过程中，监测结构的应力波释放情况，观察第一步中添加的几个参数随时间增长的累计历程图，当撞击计数与振铃计数的累计增长曲线和撞击计数与能量计数的累计增长曲线趋势一致时，结构处于轻微损伤阶段；当振铃计数和能量计数中，有一个或者两个同时随时间发展的曲线增长斜率明显大于撞击计数，则认为结构上的损伤发展至较严重阶段，继续增大载荷可能导致结构失效破坏；
第三步：对声发射参数进行后续分析，预测结构的破坏载荷。
第一步中，在C/C编织复合材料结构上相对比较薄弱的区域附近使用耦合剂粘贴声发射传感器，一个传感器的监测区域半径最好在50mm以内。
第三步中，对这三个声发射参数做进一步分析，以撞击计数作为横轴，振铃计数与能量计数作为纵轴，即会看到明显的相关曲线从斜率稳定的近似直线出现阶跃，发生拐点；记录此时的结构承载载荷，针对形状一定的结构，即可以根据以往的试验经验预测出此次试验的破坏载荷。
本发明所取得的有益效果为：
本发明所述基于声发射技术判别C/C复合材料结构损伤程度的方法，对于及时评估损伤情况，预警危险结构突然破坏失效十分有用。避免预警外的破坏试验，可大大降低试验危险性，并能节省大量试验经费。从损伤力学角度对试验件进行评价，可以以此为切入点对结构设计部门提出更多有用的建议。
附图说明
图1为基于声发射技术判别C/C复合材料结构损伤程度的方法流程图；
图2为损伤轻微时的声发射参数相关曲线；
图3为损伤严重发展至破坏时的声发射参数相关曲线；
图4为不同阶段的声发射参数历程图；
其中：a-1为损伤轻微阶段撞击计数与振铃计数的时间历程图；a-2为损伤严重发展至破坏阶段撞击计数与振铃计数的时间历程图；b-1为损伤轻微阶段撞击计数与能量计数的时间历程图；b-2为损伤严重发展至破坏阶段撞击计数与能量计数的时间历程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明所述基于声发射技术判别C/C复合材料结构损伤程度的方法原理为：声发射信号的事件数和振铃计数与能量计数的关系可以反映结构的损伤情况并对结构破坏载荷进行预警，具体表现为以下两点：
(1)当C/C编织复合材料结构损伤程度轻微时，微小损伤源的发生和产生应力波的特点服从平稳概率分布，声发射事件数(使用单通道采集时或者区域定位法时，其等同于撞击计数)和振铃计数与能量计数呈等比例增长趋势；当损伤程度比较严重时，会出现一组包含大量振铃计数和高能量计数的撞击链，表现在两者相关图上就是曲线出现拐点，包络线斜率明显增大；这个过程可能反复几次，导致相关曲线越发严重脱离，直至最终结构破坏。
从图4中的各个历程图可以看出，在结构损伤轻微的加载阶段，虽然撞击计数和振铃计数与能量计数在数量级上有很大区别，但是其随时间增长的趋势基本一致，在左右使用不同的坐标单位时，两个参数随时间增长的曲线趋势相同且接近重合。在结构损伤发展至比较严重的阶段，振铃计数和能量计数随时间发展的曲线斜率突然增大，图中两条曲线发生明显的脱离。对此时的数据进行进一步分析，以撞击计数作为横轴，振铃计数与能量计数作为纵轴，参见图2和图3，即会看到明显的相关曲线从斜率稳定的近似直线出现阶跃，发生拐点的现象。
(2)对于特定结构的C/C编织复合材料来说，一组包含大量振铃计数的、高能量的声发射事件发生，撞击计数与振铃计数及其相关曲线出现明显拐点处的载荷，与最终破坏载荷的比值在一定范围内。记录拐点发生时的结构承载载荷，针对一定的结构，可以预测出结构的破坏载荷。在某型号结构的具体试验中，针对同一个形状的C/C编织复合材料结构进行的三组破坏试验，该比值约在85％附近。
表1损伤判别比例表
如图1所示，本发明的具体实施步骤如下：
第一步：在C/C编织复合材料结构上布置声发射传感器，并设置声发射采集系统的监测显示界面；
在C/C编织复合材料结构上相对比较薄弱的区域附近使用耦合剂粘贴声发射传感器，由于此材料的应力波衰减比较严重，一个传感器的监测区域半径最好在50mm以内。
在采集系统的监测显示界面上添加撞击计数、振铃计数和能量计数随时间发展的累计历程图。为了方便对比，将撞击计数与振铃计数作为一个图中的左右主副纵坐标，将撞击计数与能量计数作为另一个图中的左右主副纵坐标。
第二步：使用声发射采集系统监测C/C编织复合材料结构在承载过程的应力波释放情况，预警结构的严重损伤
在承载过程中，监测结构的应力波释放情况。观察第一步中添加的几个参数随时间增长的累计历程图。当撞击计数与振铃计数的累计增长曲线和撞击计数与能量计数的累计增长曲线在图中趋势一致，即图3中的两组曲线均呈等比例增长时，结构出于轻微损伤阶段；当图3中的两组曲线发生严重脱离，其中振铃计数和能量计数中，有一个或者两个同时随时间发展的曲线增长斜率明显大于撞击计数，则认为结构上的损伤发展至较严重阶段，继续增大载荷可能导致结构失效破坏。
第三步：对声发射参数进行后续分析，预测结构的破坏载荷
由于从历程图上看两条曲线的分离时间，不同的观察者可能得到不同的结果，导致对于严重损伤出现的时间和此时的载荷判断出现分歧。因此可对这三个声发射参数做进一步分析，以撞击计数作为横轴，振铃计数与能量计数作为纵轴，即会看到明显的相关曲线从斜率稳定的近似直线出现阶跃，发生拐点。记录此时的结构承载载荷，针对形状一定的结构，即可以根据以往的试验经验预测出此次试验的破坏载荷。
Claims (6)
1.一种基于声发射技术判别C/C复合材料结构损伤程度的方法，其特征在于：该方法如下：
(1)当C/C编织复合材料结构损伤程度轻微时，微小损伤源的发生和产生应力波的特点服从平稳概率分布，声发射事件数和振铃计数与能量计数呈等比例增长趋势；当损伤程度比较严重时，会出现一组包含大量振铃计数和高能量计数的撞击链，表现在两者相关图上就是曲线出现拐点，包络线斜率明显增大；这个过程可能反复几次，导致相关曲线越发严重脱离，直至最终结构破坏；
(2)对于特定结构的C/C编织复合材料，一组包含大量振铃计数的、高能量的声发射事件发生，撞击计数与振铃计数及其相关曲线出现明显拐点处的载荷，与最终破坏载荷的比值在一定范围内；记录拐点发生时的结构承载载荷，针对一定的结构，可以预测出结构的破坏载荷。
2.根据权利要求1所述的基于声发射技术判别C/C复合材料结构损伤程度的方法，其特征在于：对于情况(1)在结构损伤轻微的加载阶段，撞击计数和振铃计数与能量计数在数量级上有很大区别，但是其随时间增长的趋势基本一致，在左右使用不同的坐标单位时，两个参数随时间增长的曲线趋势相同且接近重合。
3.根据权利要求1所述的基于声发射技术判别C/C复合材料结构损伤程度的方法，其特征在于：对于情况(1)在结构损伤发展至比较严重的阶段，振铃计数和能量计数随时间发展的曲线斜率突然增大，两条曲线发生明显的脱离；以撞击计数作为横轴，振铃计数与能量计数作为纵轴，即会看到明显的相关曲线从斜率稳定的近似直线出现阶跃，发生拐点的现象。
4.根据权利要求1所述的基于声发射技术判别C/C复合材料结构损伤程度的方法，其特征在于：该方法的具体实施步骤如下：
第一步：在C/C编织复合材料结构上布置声发射传感器，并设置声发射采集系统的监测显示界面；
在采集系统的监测显示界面上添加撞击计数、振铃计数和能量计数随时间发展的累计历程图；将撞击计数与振铃计数作为一个图中的左右主副纵坐标，将撞击计数与能量计数作为令一个图中的左右主副纵坐标；
第二步：使用声发射采集系统监测C/C编织复合材料结构在承载过程的应力波释放情况，预警结构的严重损伤；
在承载过程中，监测结构的应力波释放情况，观察第一步中添加的几个参数随时间增长的累计历程图，当撞击计数与振铃计数的累计增长曲线和撞击计数与能量计数的累计增长曲线趋势一致时，结构处于轻微损伤阶段；当振铃计数和能量计数中，有一个或者两个同时随时间发展的曲线增长斜率明显大于撞击计数，则认为结构上的损伤发展至较严重阶段，继续增大载荷可能导致结构失效破坏；
第三步：对声发射参数进行后续分析，预测结构的破坏载荷。
5.根据权利要求4所述的基于声发射技术判别C/C复合材料结构损伤程度的方法，其特征在于：第一步中，在C/C编织复合材料结构上相对比较薄弱的区域附近使用耦合剂粘贴声发射传感器，一个传感器的监测区域半径最好在50mm以内。
6.根据权利要求4所述的基于声发射技术判别C/C复合材料结构损伤程度的方法，其特征在于：第三步中，对这三个声发射参数做进一步分析，以撞击计数作为横轴，振铃计数与能量计数作为纵轴，即会看到明显的相关曲线从斜率稳定的近似直线出现阶跃，发生拐点；记录此时的结构承载载荷，针对形状一定的结构，即可以根据以往的试验经验预测出此次试验的破坏载荷。
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