玻璃纤维复合材料板声发射信号传播特性

马 波,陈健飞,李 标,杨 勇,江文军,仇东泉,谢珂铭,周先军

(1.中国石化胜利油田分公司,东营257000;2.中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛266580)

玻璃纤维复合材料板声发射信号传播特性

马 波1,陈健飞1,李 标2,杨 勇1,江文军1,仇东泉1,谢珂铭2,周先军2

(1.中国石化胜利油田分公司,东营257000;2.中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛266580)

以玻璃纤维复合材料板为研究对象,通过断铅试验分析了声发射信号在复合材料中的衰减规律和传播速度规律。根据试验结果对波速表达式进行了多项式拟合,得到了声发射信号沿任意方向传播时的传播速度,利用多项式计算得到的波速进行线性定位,其定位误差在3%以内,验证了波速-传播方向多项式的有效性,为后期玻璃纤维复合材料声发射源定位研究奠定了基础。

复合材料;声发射;衰减;声速;定位

在内力或外力作用下,材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象称为声发射现象[1],用仪器探测、记录、分析声发射波和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术[2],声发射技术目前已成为研究复合材料断裂机制和检测复合材料设备的重要方法[3]。对大型设备进行无损检测时,其核心问题之一是能否运用现有的无损检测手段,对设备现存的或者是潜在的缺陷、损伤进行准确定位,而准确获得玻璃钢材料声发射信号传播特性是进行有效定位的前提条件。复合材料是由两种或两种以上异质、异性、异形的材料,在宏观尺度上复合而成的一种新型材料[4],具有不均匀性和各项异性,受纤维和基体之间界面的影响,声发射波在复合材料中传播时,不同传播方向上的传播特性有所差别[5]。笔者通过对正交编织的玻璃纤维复合材料板进行声发射信号传播特性基础性研究,系统地分析声发射信号的传播特点与规律,研究声发射信号在玻璃纤维复合材料板中的衰减特征、声速与纤维角度的关系、声源线性定位三个方面的内容,为二维正交玻璃纤维复合材料声发射源定位传感器的布置及波速设置奠定了基础。

1 试验过程

1.1 试验材料及设备

试验所用的材料为正交编织玻璃纤维增强复合材料平板,玻璃纤维方向如图1所示,复合材料平板尺寸:长度L为1 200 mm,宽度W为1 200 mm,厚度B为4 mm。

图1 玻璃纤维方向示意

试验采用的声发射检测仪为声华科技公司生产的SAEU2S-2A型声发射检测仪,传感器型号为SR150M,中心频率为150 k Hz。信号采集峰值定义时间(PDT)设为50μs、参数间隔(撞击定义时间HDT)为150μs、闭锁时间(撞击闭锁时间HLT)为300μs、采样频率为2 MHz、采样点数为2 048。

1.2 试验方法

根据标准GB/T 18182－2012《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》的要求,试验采用φ0.5 mm,硬度为HB的自动铅笔模拟声发射源,铅芯伸长量为2.5 mm,与板面成30°夹角进行断铅试验。图2为传感器布置示意,取图2中水平纤维方向为0°,分别在角度为0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°的方向上对波速、衰减进行测量。在0°传播方向上进行数据测量时,以凡士林为耦合剂在距断铅100 mm位置处布置声发射传感器S1,距断铅300 mm位置处布置传感器S2,在断铅位置3次断铅并进行数据采集;然后将传感器S2分别布置在距离断铅500, 700,900,1 100 mm位置处,分别进行断铅试验,从而完成0°传播方向的数据测量,采用相同的方法完成15°,30°,45°,60°,75°,90°方向上的数据采集。

图2 传感器布置示意

2 试验数据分析

2.1 信号衰减规律

对同一传感器布置位置得到的三次断铅信号的幅度求平均值,得到信号传播不同距离后幅度的衰减,其结果如表1所示。

表1 不同传播方向幅度衰减统计 dB

幅度衰减随距离变化曲线如图3所示,随着传播距离的增加信号幅度衰减在增大,但传播距离不同衰减速率也不同,在距离声发射源较近区域幅度衰减较快,随着距离的增加信号幅度衰减速率减小。信号传播距离小于200 mm时,不同传播方向上的幅度衰减未存在明显差别,幅度衰减约为20 dB。但随着传播距离变大,不同传播方向上的衰减规律呈现出差别:声发射波传播距离超过200 mm后,在30°, 45°,60°传播方向上的幅度衰减相对较快,在45°传播方向上声发射波传播距离为1 000 mm时幅度衰减了50 dB,平均衰减0.052 6 dB·mm－1;在0°,90°传播方向上声发射波传播距离为1 000 mm时幅度衰减了40 dB,平均衰减0.041 05 dB·mm－1。相对30°,45°,60°传播方向,0°,90°传播方向上的幅度衰减速率相对较小。

图3 幅度衰减随距离变化曲线

由不同传播方向上的幅度衰减可知,声发射信号沿着纤维方向传播时衰减较慢,与纤维成一定角度传播时的信号幅度衰减较快,在与纤维夹角为45°时衰减最快。由于不同传播方向上幅度衰减速度不同,后期对玻璃纤维钢板进行声发射源定位研究时,传感器布置间距要考虑传播方向的影响。

2.2 信号传播速度规律

基于时差分析法可得到信号传播速度,由两传感器之间的距离及信号到达两传感器的时间差可计算出声发射信号在复合材料板上的声速,声速求解公式为:

式中:s为两传感器间的距离;t1、t2分别为信号传播到达两传感器的时间。

取2号传感器位于1 100 mm位置处采集到的数据进行分析,对三次断铅测得波速求平均值,得到不同传播方向的传播速度如表2所示。

表2 不同传播方向的波速

为便于观察波速随角度的变化关系和多项式的拟合,波速与纤维角度变化曲线如图4所示。

图4 波速与纤维角度变化曲线

由波速测量结果可见,声发射波在玻璃纤维增强复合材料平板中传播时,传播方向不同时波速存在明显差别,在0°传播方向传播速度为3 162.0 m·s－1,随着角度增大传播速度减小,在45°时波速最小为2 899.1 m·s－1,45°后随着角度增大传播速度逐渐增大。从波速与角度变化曲线可以看出,声发射信号波速在0°～90°范围内呈现“V”型变化。复合材料内部纤维是信号传输的主要载体,其纤维夹角的变化对信号声速传播特征具有很大的影响。

为了得到任意角度的波速,需对波速随角度的变化曲线进行多项式拟合。由于试验数据是等距分布,如果直接进行多项式拟合则会产生龙格现象,为了避免产生龙格现象,采用分段拟合多项式的方法。根据波速与角度变化曲线,以45°角为分界,采用MATLAB工具经多项式拟合得到波速与角度的分段多项式,即:

式中:a为与基准纤维的角度;v为各角度下的波速,m·s－1。

由式(2)可以得到声发射波在玻璃纤维增强复合材料平板中传播时任意方向的传播速度,为玻璃纤维增强复合材料声发射源的定位提供了准确的波速。

2.3 声源线性模拟定位

为了验证波速与纤维夹角多项式的有效性,式(2)中的角度a取50°,计算得出该角度下的波速为2 916.5 m·s－1。然后进行声源线性模拟定位试验,设置分析参数的波速为2 916.5 m·s－1。将两传感器布置在玻璃纤维复合材料板材的50°角上,传感器的距离设置为500 mm,然后在离1号传感器150 mm的位置处做断铅模拟声发射源。从软件的定位图中读取定位的结果,其定位结果为148 mm,结果如图5所示。

图5 声源线性模拟定位结果

然后选取任意角度重复上面的操作,进一步验证式(2)的正确性,得到的定位结果与真实位置如表3所示。

表3 定位结果与真实位置

从定位结果中可以看出,利用计算得到的波速进行定位的误差在3%之内,精度较高。

3 结论

(1)声发射信号幅度衰减与距离存在正相关的关系,随着距离增大衰减也增大,但衰减速率减小。声发射信号沿着纤维方向的衰减较小,与纤维夹角越大,信号幅度衰减较大,在45°时衰减最大。后期对玻璃纤维增强复合材料平板进行声发射源定位研究时,传感器布置间距要考虑传播方向的影响。

(2)声速在0°～90°之间声发射信号波速呈现“V”型,在0°和90°纤维方向传播速度最大,45°时传播速度最小,即声发射波在复合材料中传播时沿纤维束方向传播的速度较大,与纤维束方向夹角越大传播速度越小。

(3)基于声速分段拟合公式对模拟声源进行定位研究,结果表明:定位误差在3%以内,定位精度较高。

[1] 袁振明,马羽宽,何泽云.声发射技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,1985.

[2] 冯琰妮,禄芳菊,庞虎平,等.声发射波在不同复合材料容器表面的衰减特性[J].无损检测,2014,36(12): 69-72.

[3] 杨瑞峰,马铁华.声发射技术研究及应用进展[J].中北大学学报,2006,27(5):456-460.

[4] 张少时,庄茁.复合材料与粘弹性力学[M].北京:机械工业出版社,2005.

[5] 雷涛,阳能军,龙宪海,等.一种针对复合材料的声发射源定位方法[J].振动与冲击,2008,27(8):25-28.

Acoustic Emission Signal Propagation Characteristics of Glass Fiber Composite Material Plate

MA Bo1,CHEN Jian-fei1,LI Biao2,YANG Yong1,JIANG Wen-jun1,CHOU Dong-quan1,XIE Ke-ming2,ZHOU Xian-jun2
(1.Sinopec Shengli Oilfield Branch Company,Dongying 257000,China; 2.Mechanical and Electrical Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

Attenuation and speed law of acoustic emission signal in composite materials were analyzed through breaking the pencil lead to simulate acoustic emission signals in glass fiber composite material plate.The polynomial of propagation speed was got based on the measured result by fitting.The signal propagation velocity of any angle can be got through the polynomial of wave-direction of propagation.And the polynomial was verified by lead positioning test that the position error with the speed calculated by the polynomial was less than three percent,which laid a foundation for the research of acoustic emission source localization period of glass fiber reinforced plastic.

Composite material;Acoustic emission;Attenuation;Propagation speed;Positioning

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0016-03

10.11973/wsjc201701004

2016-07-06

马 波(1970－),男,高级工程师,主要从事油田科研和油田地面工程检验检测等相关工作。

李 标,E-mail:1048947074＠qq.com。