陶瓷材料破坏过程中的声发射源定位方法

褚亮,任会兰,龙波,宁建国

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081)

陶瓷材料破坏过程中的声发射源定位方法

褚亮,任会兰,龙波,宁建国

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081)

大多数研究者利用声发射检测陶瓷损伤断裂现象时,主要通过声发射参数分析陶瓷破坏过程,但该方法无法对陶瓷内的裂纹位置进行定位。鉴于该情况,对Geiger算法的初值选择问题进行优化,将优化后的Geiger算法应用于二维平面定位、三维空间定位实验,并计算了该方法的定位精度,即:在200 mm×200 mm的平板上,声发射源定位平均误差为1.641 mm;在50 mm× 50 mm×100 mm的立方体上,声发射源定位平均误差为3.47 mm.其中材料的性质,声发射检测系统精度以及定位算法本身都是产生的误差的原因。实验研究了AD95(95%)氧化铝陶瓷压缩破坏过程中的声发射特性,利用优化后的Geiger算法对材料压缩破坏过程中的声发射源进行空间定位,定位结果和陶瓷实际断裂位置一致,该方法可用于分析陶瓷内部裂纹扩展过程。

材料检测与分析技术;声发射;陶瓷材料;Geiger算法

0 引言

陶瓷材料以其高强度、高硬度、低密度的优良性能在装甲防护中得到了广泛的应用,如飞机、舰船、车辆等关键部位的防弹遮蔽层,坦克的防护装甲等。陶瓷材料在冲击载荷或静态加载时,内部会有大量微裂纹的产生,微裂纹的进一步扩展、汇合将导致材料的脆性破坏。关于陶瓷材料的动力学特性、损伤本构模型和抗侵彻特性的研究,已经有相关文献的报道[1-5]。对材料内部微损伤的扩展演化规律,也有一些本构模型来描述[6-9],这些模型多是结合材料内部的细观损伤而建立的理论分析模型,并没有包含真正微裂纹(或微损伤)本身的信息。材料内部在微裂纹成核和扩展过程中,从不稳定的高能量应力状态快速过渡到稳定的低能量状态,在此平衡过程中释放出来的多余能量会以弹性应力波形式表现,信号被传感器捕捉,经电路放大、分析处理,实现声发射检测[10]。因此,声发射信号来自材料内部微缺陷本身,声发射技术能够连续监测陶瓷材料内部微裂纹的产生和扩展整个过程[11-14]。

声发射技术的核心问题是通过接收到的信号反推声发射源的位置,是分析材料微破坏和失稳的基础。其主要内容有确定声发射源位置,分析声发射源的性质,确定声发射发生的时间或载荷以及评定声发射源的严重性。声发射的时差定位算法主要包括Geiger算法和单纯形算法,都是根据不同位置的传感器接收到信号的时间差来计算。田玥等[15]介绍了时差定位方法的发展历史及近些年较为常用的定位方法。林峰等[16]提出线性定位方法和Geiger算法相结合的联合定位方法,优化了常规Geiger算法的初值选择。康玉梅等[17]利用最小二乘算法的估计特性,提出一类基于最小二乘法和Geiger算法的优化迭代组合定位算法,有效地解决了迭代法的初始值问题,保证算法的收敛并且提高迭代算法的收敛速度。胡新亮等[18]用相对定位方法对非完整、非同性介质岩石进行了声发射定位研究,发现相对定位方法在复杂样品声发射定位中有较高的可靠性和精确度。

本文主要采用Geiger算法,结合二维平面和三维空间定位实验对算法的定位精度进行了验证,并计算得到了声发射源时间;分析了陶瓷材料在压缩破坏过程中的声发射特性,采用定位算法对其破坏过程中的声发射源进行定位,得到了加载过程中陶瓷内部微裂纹源的动态变化过程。

1 Geiger算法

对于小区域定位,初值假定为传感器的分布均值。初始声发射源θ偏离真解θ*不大,Γθ为较小量,2阶及2阶以上小量对计算结果影响较小。可将2阶及2阶以上泰勒展开去掉,只保留1阶项,则(4)式被简化为线性方程组,即

2 定位算法验证

2.1 初值选择

在推导过程中,可以看出忽略2阶导数项的条件是θ偏离真解θ*不大。当ATA奇异或接近奇异时,会引起迭代过程的失稳和发散,因此初值的选择很重要,必须在迭代的收敛范围之内,初值应比较接近真实值。

因此对于初值问题,本文分为两种解决方法:一是取传感器位置的平均坐标值;二是通过已知方程组化简得到线性方程组,解出初值,分别对应已知方程数足够和不足的情况。对于方程数足够的情况,假设有n个(6)式,都减去其中某一个式子,就可以得到n-1个一次方程,在如果得到的方程数不小于未知数个数,即可求解出初值。以三维为例,x、y、z、t 4个未知数需要至少4个方程;对于方程数不足时,即未知数个数大于方程数,显然方程组是无法求解的,因此,在这种情况下,如果被测试物体的空间体积不是特别大,初值可取为传感器均值(包括传感器接收信号时间)。

2.2 定位精度

利用声发射仪进行二维和三维实验来验证算法的正确性以及定位精度(见图1)。二维验证实验采用平板断铅实验,选取200 mm×200 mm的薄钢板,以钢板中心为坐标原点,4个传感器位置分布为: (90 mm,90 mm)、(-90 mm,90 mm)、(-90 mm, -90 mm)、(90 mm,-90 mm)。三维实验选取高强合金钢试件,尺寸为50 mm×50 mm×100 mm,在立方体顶部断铅来模拟声发射源。实验中采用8个传感器定位,立方体4个侧面对称放置8个传感器,以立方体几何中心为坐标原点,8个传感器位置分布为:(25 mm,0,-25 mm)、(25 mm,0,25 mm)、(0, 25 mm,-25 mm)、(0,25 mm,25 mm)、(-25 mm,0, -25 mm)、(-25 mm,0,25 mm)、(0,-25 mm, -25 mm)、(0 mm,-25 mm,25 mm)。

在钢板和高强合金钢试件上进行了多次断铅实验,从声发射源传播到各个传感器的时间见表1和表2.通过传感器检测到声发射源位置的时间,代入定位算法可得到声发射源位置。表3和表4分别为二维定位和三维定位的声发射源位置计算结果与实验结果,通过比较可以看出本文程序定位的精度能够满足实际要求,同时可以得到声发射源发生的时间。实验结果与计算结果之间的误差公式[19]可以表示为

式中:X为Geiger算法计算出的声发射源坐标;X0为实验设置的真实声发射源坐标。

在200 mm×200 mm的平板中,声发射源定位平均误差为1.641 mm;在50 mm×50 mm×100 mm的立方体中,声发射源定位平均误差为3.47 mm.二维平板定位的误差明显小于三维立体试件中的定位精度。结合实验测试系统分析,误差产生的主要原因有三点:即被测材料性质、声发射检测系统以及定位算法本身。具体分析如下:

1)材料性质:材料并非完全各向同性材料,导致声发射源产生的信号在材料内的传播速度并非各个方向都一致,而Geiger算法的前提是一个已知的常数波速,并通过该速度计算到时残差,所以波速对定位结果影响很大。另一方面,当声波遇到材料内的微缺陷时,会改变声波的传播路径,导致声波在缺陷处并非直线传播,对定位结果产生影响。

2)声发射检测系统:声发射定位过程中,采集到的声发射信号为纵波、横波、表面波以及各种反射波叠加在一起瞬态随机信号,由于纵波传播速度最快,一般将纵波的首次到达时间作为Geiger算法的声发射源到达时间,但当试件尺寸较小时,探头间的时差本身就很小,当声发射信号处理器不能更加精确地从混乱信号中判断纵波的首次到达时间时,声发射定位结果很容易出现误差。此外,实验使用的声发射传感器的直径为7 mm,传感器本身的灵敏度和尺寸也会影响到达时间的判断,从而产生误差。

3)定位算法:采用Geiger算法时忽略了泰勒展开中的2阶及2阶以上项以及定位算法中当ATA奇异或近似奇异,都会影响定位精度。

图1 声发射传感器布置Fig.1 Acoustic emission sensor layout

表1 从声发射源位置传播到传感器的时间(二维实验)Tab.1 The time of acoustic signal propagating from AE source to sensor(two-dimensional test)

表2 从声发射源位置传播到传感器的时间(三维实验)Tab.2 The time of acoustic signal propagating from AE source to sensor(three-dimensional test)

表3 计算结果与实验结果(二维定位实验)Tab.3 Comparison of experimental and calculated results(two-dimensional location test)

表4 计算结果与实验结果(三维定位实验)Tab.4 Comparison of experimental and calculated results(three-dimensional location test)

3 陶瓷试件压缩破坏的声发射定位

AD95氧化铝陶瓷圆盘作为试件进行巴西劈裂破坏实验在材料实验机上进行径向加载。加载方向及传感器布置如图2所示。

图2 AD95圆盘声发射传感器布置(单位:mm)Fig.2 Layout of acoustic emission sensors on AD95 (unit:mm)

陶瓷试件尺寸为φ50 mm×20 mm,主要成分及质量分数为Al2O3(95%)、SiO2(2%)、MgO2(1%)、CaO(1%).实验加载设备为电子万能实验机,进行实验载荷1 kN/s控制;声发射检测系统采用美国PAC公司生产的新一代数字化检测设备,采用插卡式并行处理,由PC机、前置放大器、传感器和多个并行处理的PCI卡构成。实验采用压电传感器,频率为150 kHz,滤波带宽为100～400 kHz,灵敏度为65 dB.两个前置放大器分别连接在两个传感器上,为传感器提供40 dB的增益,有效排除噪声。

图3给出了陶瓷试件压缩破坏过程中的声发射事件数、能量和振铃数的变化规律。声发射事件数和振铃计数反映了试件内部裂纹产生、扩展和汇合的损伤发展过程,损伤严重的地方声发射事件数和振铃计数出现的频度大、分布集中。从图3(a)、图3(b)、图3(c)中可看出,试件的两端仅有少量的声发射信号产生,而在圆盘试件的中线上,声发射事件数、能量和振铃计数都达到了峰值;在中线偏右约5 mm位置处声发射事件数和振铃计数又出现了一次突跃。由此可知,试件的破坏主要出现在这两个位置处,同时声发射能量和振铃计数在中线位置处是突变增加的,说明试件的破坏是在瞬间完成。压缩破坏后的试件如图4所示,沿试件中线和右侧5 mm位置处均有断裂面,试件宏观上主要呈现出轴向劈裂破坏的形式。因此,声发射特性参数的变化规律可以定性地反映了材料内部损伤的演变过程。

图3 陶瓷劈裂产生的声发射特性参数-位置关联图Fig.3 AE parameters vs.location after ceramic disc splits

应用Geiger算法,结合试件破坏过程中传感器采集到的声发射参数,分析得到了加载过程中陶瓷试件破坏过程中的声发射源位置,如图5所示(图中小圆圈表示声发射源的位置)。在初始加载阶段,当载荷加载到25 kN时,声发射定位事件数目很少,材料中只有零星的声发射事件,材料中的微缺陷并没有扩展,此阶段一般在峰值应力的10%左右。随着外部载荷的增加,由于加载位置应力集中,新的声发射事件主要集中在试样的上下压头处。如图5(b)所示,随着载荷的增加,声发射事件逐渐增加,裂纹由上下两端延轴线向中心位置扩展,当应力加载到130 kN(大约为最大载荷的50%)的声发射定位显示如图5(c)所示。这一过程中产生的声发射信号的幅值,能量也比较高,系统采集到的声发射信号与前一阶段相比大量增加。之后,在主裂纹周围产生大量的声发射事件,说明裂纹在主裂纹周围大量汇聚。当继续加载至258 kN时,主裂纹迅速扩展、贯通,陶瓷材料失稳破坏。这些阶段的声发射事件定位分布图如图5(d)、图5(e)、图5(f)所示。在这一阶段系统采集的声发射信号能量、振铃计数和事件数也剧烈上升。

图4 陶瓷压缩破坏结果Fig.4 Compression fracture result of ceramic

加载过程中,声发射事件共定位到1 253个点,用Geiger算法计算的定位结果在试件内的共有399个,占总数的31.84%。误差在7 mm以内的定位结果共有459个,占总数的36.63%。产生误差的原因可能为材料破坏过程中裂纹的增加导致材料内声速发生变化,一些较小的微裂纹扩展产生的声发射信号很弱,导致声波到达时间很难精确判断,以及2.2节中的误差产生的原因。

4 结论

工程材料在压缩或拉伸过程中,内部会产生大量的微裂纹或微空洞,这些微损伤在外载的作用下进一步扩展而导致宏观裂纹的产生直至材料的破坏或断裂。材料内部微损伤的产生、扩展、汇合等都会引起声发射现象,声发射特性参数的变化也反映了材料内部的损伤程度。

1)基于Geiger算法,分析了定位算法中初值的选择问题并提出了解决方法;进行了二维平面定位和三维空间定位的实验研究,结合采集到的声发射特性参数,算法定位结果和实验结果具有良好的一致性,并计算出了试件上产生声发射源的真实发生时间。在200 mm×200 mm的平板中,声发射源定位平均误差为1.641 mm;在50 mm×50 mm× 100 mm的立方体定位中,声发射源定位平均误差为3.47 mm.其中材料的性质,声发射检测系统精度以及定位算法本身都是产生误差的原因。

图5 陶瓷压缩过程中不同载荷时的声发射定位结果Fig.5 The locations of AE under different loads in the process of ceramic compression fracture

2)对陶瓷试件压缩破坏过程中的声发射特性进行实验研究,分析了声发射特性参数如事件数、能量和振铃计数的变化规律;采用Geiger算法对陶瓷试件压缩破坏过程中的声发射源进行定位;通过陶瓷压缩破坏过程中的声发射源空间分布图像,进一步分析了材料内微裂纹的产生和扩展趋势,进而对材料的破坏过程进行预测和判断。

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Location of Acoustic Emission of Ceramics Fracturing

CHU Liang,REN Hui-lan,LONG Bo,NING Jian-guo
(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

AE(acoustic emission)parameter analysis method is considered in the research on ceramics fracturing,but the position of cracks in ceramics is impossible to be located using the method.The initial value selection of Geiger algorithm is optimized.The algorithm is verified by 2-dimensional and 3-dimensional location experiments,and the location accuracy is analyzed according to the experimental results. The average location error of acoustic emission source on a 200 mm×200 mm2flat plate is 1.641 mm, and that on a 50 mm×50 mm×100 mm cube is 3.47 mm.The reasons of the error mainly include the properties of material,the accuracy of acoustic emission testing system and the location algorithm.Lots of microcracks occur and grow in a typical brittle material,such as ceramics,during loading,resulting in acoustic emission(AE).Through the compression test and 3-dimensional locating detection of AD95 (95%)alumina ceramic specimens,the acoustic emission characteristics are achieved and the positions of cracks are located by the optimized Geiger algorithm.The location result is in accordance with the actual fracture position,and the formation and propagation of cracks in ceramics can be analyzed by the method.

materials examination and analysis;acoustic emission;ceramic;Geiger algorithm

O341

A

1000-1093(2014)11-1828-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.11.014

2014-01-15

国家自然科学基金项目(11172045、11221202);爆炸科学与技术国家重点实验室自主课题项目(YBKT13-04)作者简介:褚亮(1986—),男,博士研究生。E-mail:3120100065@bit.edu.cn;

任会兰(1973—),女,教授,博士生导师。E-mail:huilanren@bit.edu.cn