CN106370730A - 一种基于声发射技术精确测量脆性材料损伤阈值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声发射技术精确测量脆性材料损伤阈值的方法，根据脆性材料损伤破坏机理，采用声发射事件初始频率和峰值频率识别对应的损伤应力阈值。其目的在于克服传统体应变法对损伤阈值识别的粗糙性，充分利用声发射技术在脆性材料破坏性试验中的准确性和灵活性，提供一种简单而有效的精确损伤阈值测量的方法。主要包含如下步骤：（1）安装声发射传感器，（2）连接传感器和信号放大器到前端信号处理器，（3）设置声发射采集系统的采集参数和监测界面，进行断铅实验检测实验系统的有效性，（4）加载试样，采用同步控制系统，实现声发射采集系统和应力应变测试系统的同步采集，（5）对步骤4得到的声发射数据进行后续分析，得到材料的损伤阈值。

Description

一种基于声发射技术精确测量脆性材料损伤阈值的方法

技术领域：

本方法具体涉及一种基于声发射技术精确测量脆性材料损伤阈值的方法，适用于隧道，矿山，核电等岩土工程领域。

背景技术：

爆破是大型水利水电、隧道和核电工程开挖的主要手段。在爆破过程中，爆炸冲击波对周围待保护的岩体产生了不同程度范围的损伤，严重影响了结构的完整性和稳定性，为项目后期的安全运营产生了隐患，另外，结构的加固措施依赖于岩体的损伤状态。因此，合理的评价结构的损伤状态显得至关重要。

研究表明，脆性材料的破坏过程分为三个阶段：无裂纹阶段，裂纹稳定扩展阶段和裂纹非稳定性扩展阶段。三个阶段对应着两个临界阈值：初始损伤阈值和非稳定损伤阈值。参见图1，其中初始损伤阈值为无裂纹阶段和裂纹稳定扩展阶段的交界点，其物理意义为材料从连续均匀性向有裂纹存在的非连续非均匀开始转化。非稳定损伤阈值对应着裂纹稳定扩展阶段和裂纹非稳定扩展阶段的分界点，当应力超过非稳定损伤阈值后，材料损伤变量增长加速，材料很快完全破坏。因此，初始损伤阈值是判别材料完整性指标的重要依据，同时，在进行结构的强度设计时，非稳定损伤阈值指标就显得至关重要。

材料损伤阈值确定的目的是从工程实际需求出发，根据岩体的损伤特征和受力特性将其划分为不同阶段，便于后续工程施工控制和结构加固设计。但是由于损伤测量技术的局限性，很难获得一种准确表达材料损伤行为的实验技术，传统判别方法依赖于应力应变测试系统，根据加载过程中的得到的轴向和横向应变曲线，间接计算获得裂纹体应变的演化规律，假定裂纹体应变的起始点对应初始损伤阈值，裂纹体应变的峰值对应非稳定损伤阈值，直接在应力应变曲线上点取相应阈值。该方法虽能较准确的识别初始损伤阈值，但在判别非稳定损伤阈值上，由于宏观损伤的延时性和体应变的不稳定性，很难精确的获得具体的数值。声发射技术是一种实时的无损检测技术，可以精确的获得材料在受力过程的微裂纹产生和扩展，这种信息不仅包括裂纹的位置，产生时间，强度，类型，数目等，还间接涵盖了材料的损伤状态和损伤演化规律。结合声发射技术和应力应变测试系统，建立起损伤与应力状态对应关系的方法，合理的识别损伤阈值，填补了损伤阈值精确测量技术的空白，显著地增强了对结构损伤行为控制的能力。

发明内容：

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种基于声发射技术精确测量脆性材料损伤阈值的方法，该方法采用声发射技术和应力应变测试系统相结合的方式，通过实时监测加载过程中的材料的声发射事件，根据声发射频率图上的起始频率和峰值频率识别对应的应力阈值，克服传统判别方法对于非稳定损伤阈值测取的粗糙性，从而判别材料的损伤程度，解决实际工程中的爆破控制和加固设计。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于声发射技术精确测量脆性材料损伤阈值的方法，该方法介绍如下：

（1）脆性材料加载过程中的损伤特性分为三个阶段：无裂纹扩展的线弹性阶段，裂纹稳定扩展的线性损伤阶段和裂纹非稳定扩展的非线性损伤阶段。弹性阶段无裂纹产生，应力随应变呈等比例的增长趋势；当应力水平超过一定阈值，材料内部产生微裂纹，声发射频率从无到有，随着应力逐步增大，声发射频率进一步增大并达到峰值，随后逐渐下降直至结构完全破坏。

（2） 对于一组待研究的脆性材料，通过实验绘制应力应变曲线和声发射事件频率，拾取声发射事件频率图上初始频率和峰值频率对应的加载应力，得到脆性材料的损伤阈值，进而判别材料的损伤状态并进行后续施工控制。

作为优选，所述声发射传感器频响范围0~50KHz，采样率为1KHz~50KHz。

作为优选，同一组实验的声发射传感器数目不小于3个。

该方法的具体实施步骤如下：

第一步： 将声发射传感器设置在脆性材料试样的环向外围，采用耦合剂和限位系统将传感器紧密的固定在试样上；

限位系统牢固地安装在实验装置上，确保声发射传感器与试样的紧密接触；耦合剂的涂抹需均匀充分；

第二步： 声发射传感器通过数据连接线与信号放大器和无线电信号转发器的前端信号处理器相连，实现将采集信号转换成电信号发送给信号处理系统；

第三步： 设置声发射采集系统的采集参数和监测界面，进行断铅实验检测实验系统的有效性；

在采集系统的监测界面添加撞击计数和撞击频率随时间的变化曲线，左侧纵坐标对应撞击计数，右侧纵坐标对应撞击频率；在应力应变测试系统界面添加应力随时间的变化曲线；

第四步： 加载试样，采用同步控制系统，实现声发射采集系统和应力应变测试系统的同步采集。

在加载系统中，通过编写控制程序实现应力应变测试系统和声发射采集系统的同时计时。

第五步： 对步骤四得到的声发射数据进行后续分析，得到材料的损伤阈值。

在承载过程中，若需控制材料的完整性特性，在声发射频率图上出现初始频率时，同步停止加载，记录相应的应力阈值，若需控制材料的失稳破坏特性，在声发射频率图上出现频率峰值时停止加载，对应力应变做等时偏移，得到峰值对应点的应力阈值。

本发明所取得的有益效益为：

本发明所基于声发射技术精确测量脆性材料损伤阈值的方法，能够更加精确的识别损伤阈值，实时地评估损伤状态，相对于传统方法研究材料的破坏行为，更能及时地起到预测材料失稳破坏，为工程师提供充足的时间采取积极的加固措施，避免因最终的结构失效带来工程灾害和损失。同时，本发明很好的结合应力应变测试系统，操作简便，易于识别，不可控因素少，实施性较好，利于实验操作。利用本发明的损伤状态识别方法，可以有效的评价材料的损伤行为，合理的控制后续的爆破规模，增加安全性，降低成本投入，保证工程安全运营。

附图说明：

图1为传统的基于裂纹体应变识别脆性材料损伤阈值的示意方法。

图2是基于声发射技术精确测量脆性材料损伤阈值的方法流程图。

图3是本发明初始损伤阈值判别的频率图。

图4是本发明非稳定损伤阈值判别的频率图。

图5是本发明应力随时间的变化曲线。

图6是本发明实施例中的损伤阈值判别图。

其中b.1是实施例中应力随时间的变化；b.2是实施例中声发射事件频率随时间的变化；b.3是实施例中应用声发射事件频率判别损伤阈值的方法。

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精确测量脆性材料损伤阈值的方法的原理为：脆性材料在加载过程中发生微观破裂，微裂纹的产生伴随着弹性应变能的释放，通过适时地采集试样的应力脉冲波，得到声发射信号的频率数，根据声发射事件频率数的变化规律识别材料的损伤阈值。

脆性材料根据其加载过程中的损伤特性分为三个阶段：无裂纹扩展的线弹性阶段，裂纹稳定扩展的线性损伤阶段和裂纹非稳定扩展的非线性损伤阶段。弹性阶段无裂纹产生，应力随应变呈线性增长；参见图3，当应力水平超过一定阈值，材料内部产生微裂纹，传感器开始采集到声发射信号，此时对应的应力即为初始损伤应力；参见图4，随着应力逐步增大，声发射频率进一步增大并达到峰值，此时对应的应力为非稳定损伤应力，若继续加载，声发射事件频率逐渐下降，应力逐渐上升至峰值应力直到结构完全破坏。

如图2所示其具体实施例包含如下步骤：

第一步： 将4个声发射传感器均匀对称地设置在50 mm×100 mm的岩石试样的上下两端，传感器分别距离上下端面10 mm,以避免在加载过程中压头损坏传感器。将凡士林均匀涂抹在传感器端部，并与试样贴紧压实；

第二步： 声发射传感器通过数据连接线与信号放大器和无线电信号转发器的前端信号处理器相连，实现将采集信号转换成电信号发送给信号处理系统；

第三步： 预设声发射采集系统的采集参数，并打开撞击计数和撞击频率随时间的变化曲线的窗口，将2B铅笔在试样表面摁断，观测监测界面的数据显示，若无监测到声发射信号，重新返回第二步检查接线是否连好或者检查预设参数是否合理，然后重复断铅实验，直到能检测声发射信号为止；

第四步： 调试完毕，打开应力测试系统应力随时间的变化曲线，开始加载试样，采用同步控制系统，实现声发射采集系统和应力应变测试系统的同步采集；

第五步： 对步骤四得到的声发射数据进行分析。

从图6中可以看出，在0~60s加载时间段内，声发射传感器未检测到声发射信号，岩石没有发生微观破坏，无损伤产生，应力呈线性逐渐上升，随着应力进一步增加，6-b.2中出现少数声发射事件，该阶段声发射事件频率在一个稳定的范围内增加，并没有对材料整体的受力和后期的破坏产生较大影响，此时对应的初始损伤应力阈值为36.5 MPa。当声发射事件频率增加到峰值后，应力变化逐渐呈现非线性，声发射频率快速降低, 此时对应的非稳定损伤应力阈值为124.2 MPa，继续加载一定时间，材料达到峰值应力 150.5 MPa，材料完全失效。因此可见，初始损伤应力约为峰值应力的24.2%，当应力越过初始损伤应力后继续加载，并不会对最终破坏的应力和时间产生影响，但因为裂纹的存在改变了材料的连续性和均匀性。非稳定损伤应力约为峰值应力的82.5%，在材料进入非稳定损伤应力后不久，材料就达到峰值应力，彻底破坏，因此，非稳定损伤应力对于控制材料的破坏行为和加固设计尤为重要。

Claims (4)

1.一种基于声发射技术测量脆性材料损伤阈值的方法，其特征在于：方法介绍如下：

(1)脆性材料加载过程的损伤特性分为三个阶段：无裂纹扩展的线弹性阶段，裂纹稳定扩展的线性损伤阶段和裂纹非稳定扩展的非线性损伤阶段。弹性阶段无裂纹产生，应力随应变呈等比例的增长；当应力水平超过一定阈值，材料内部产生微裂纹，声发射事件从无到有，随着应力逐步增大，声发射频率进一步增大并达到峰值，通过判别材料的损伤状态进行后续施工控制。

(2)对于一组待研究的脆性材料，通过实验测得应力应变曲线和声发射事件频率，拾取声发射事件频率图上初始频率和峰值频率对应的加载应力，得到脆性材料的损伤阈值，用于此类结构的安全性设计。

2.如权利要求1所述的基于声发射技术测量脆性材料损伤阈值的方法，其特征在于：所述声发射传感器频响范围0～50kHz，采样率为1kHz～50kHz。

3.如权利要求1所述的基于声发射技术测量脆性材料损伤阈值的方法，其特征在于：所谓精确损伤阈值识别，是通过声发射事件数目的记录，根据微震信号的判别得到有效的声发射事件频率，应用初始频率和峰值频率实现损伤阈值的精确拾取。

4.如权利要求1所述的基于声发射技术测量脆性材料损伤阈值的方法，其步骤如下：

①将声发射传感器设置在脆性材料试样的环向外围，采用耦合剂和限位系统将传感器紧密的固定在试样上；

②声发射传感器通过数据连接线与信号放大器和无线电信号转发器的前端信号处理器相连，实现将采集信号转换成电信号发送给信号处理系统；

③设置声发射采集系统的采集参数和监测界面，进行断铅实验检测实验系统的有效性；

④加载试样，采用同步控制系统，实现声发射采集系统和应力应变测试系统的同步采集。

⑤对步骤④得到的声发射数据进行后续分析，得到材料的损伤阈值。