玻璃钢材料损伤的声发射特性

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(1.中国石油大学胜利学院，东营 257000；2.中国石化股份胜利油田分公司技术检测中心， 东营 257000；3.中国石油大学(华东) 机电工程学院，青岛 266580)

玻璃钢材料相比金属具有耐腐蚀性能及力学性能好、容易成型等优点，在化工防腐、石油储运、交通运输等领域得到了广泛应用[1-2]。玻璃钢材料在使用过程中往往需要承受拉伸、弯曲、压缩、剪切等一种或多种复杂载荷，在载荷的长期作用下，其会发生疲劳并且强度下降，出现基体开裂、纤维与树脂分离等缺陷，造成重大事故发生。因此，需要对玻璃钢材料进行定期检测，目前声发射技术已成为研究玻璃钢复合材料断裂机制及对其实施检测的重要方法[3]。玻璃钢结构复杂、具有不均匀性和各项异性，不同纤维铺层方向的玻璃钢力学性能及破坏过程存在较大差异[4-6]，在损伤过程中会出现不同的损伤阶段，基体开裂、纤维抽丝和纤维断裂等都明显伴有损伤阶段与声发射信号之间的一一对应关系，因此可以采用声发射技术对玻璃钢复合材料的渐进损伤过程进行在线监测[7-9]。笔者对不同纤维铺层方向的玻璃钢材料损伤过程中的声发射特性进行研究，首先研究了其宏观力学特性，得到了玻璃钢机械损伤规律和基本力学性能参数；然后，对试验过程中检测的声发射信号幅值、振铃计数等进行了分析，并基于灰色关联分析法，建立了玻璃钢材料力学与声发射信号参数之间的关联；最后，对采集到的典型信号进行波形分析及FFT(快速傅里叶变换)，研究不同信号的峰值频率范围。

图3 不同试件的力-位移曲线

1 玻璃钢损伤的声发射试验方法

为了研究不同基体材料、纤维铺层角度对玻璃钢宏观力学特性及损伤规律的影响，设计了多因素完全随机试验。

该试验共两个因素，分别为因素A(树脂)和因素B(纤维角度)，因素A有两个水平(乙烯基酯、不饱和聚酯),因素B有3个水平(0°,90°,±45°)。根据交叉分组得到2×3种被测试情况，结果记为yijl，i=1,2,3,…，k；j=1,2,3…，r；l=1,2,3,…，n；试验因素水平如表1所示。

表1 试验因素水平

试件采用的树脂材料为乙烯基酯和不饱和聚酯两种，拉伸试件尺寸(长×宽)为500 mm×50 mm，弯曲试件尺寸(长×宽)为300 mm×60 mm，厚度均为6 mm，纤维铺层方向分别为0°,90°,±45°。试件要求表面平整，厚度均匀，其拉伸和弯曲试件结构示意如图1，2所示。

图1 玻璃钢不同铺层拉伸试件结构示意

图2 玻璃钢不同铺层弯曲试件结构示意

2 试验结果与分析

2.1 力学性能

参考标准GB/T 1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》及GB/T 1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》进行试验，每种试件试验3次，对3次试验数据取均值，得到不同试件的力-位移曲线如图3所示，试验结果如表2所示。

表2 不同试件的力学性能试验结果 MPa

从力-位移曲线上分析，对于0°和90°试件，破坏前，载荷与变形基本呈线性关系，载荷达到一定值时试件突然炸裂，表现为脆性材料，无明显屈服阶段；对于±45°试件，在拉伸和弯曲过程中，载荷与变形呈抛物线关系，断裂前试件断裂部位变窄，出现“缩颈”现象，具有较好的韧性，变形量最大。

从拉伸和弯曲强度上分析，主要承受力的是增强纤维，0°试件强度最大，其次是±45°试件，强度最小的是90°试件，不同基体材料对试件强度的影响不大。

2.2 声发射特性

首先对声发射设备进行参数设置，然后采用参数分析法对声发射信号参数进行分析[10]，通过不同参数描述玻璃钢材料在损伤过程中产生的声发射信号特征，设备参数设置为门槛值45 dB，采样频率1 000 kHz,采样长度2 000，参数间隔200 μs，锁闭时间300 μs,峰值间隔50 μs。

对声发射信号中振铃计数、幅度、能量以及持续时间进行分析，结果表明：试件在断裂初期多为基体树脂开裂，能量和振铃计数较低，幅度达55 dB，持续时间较短，小于3 000 μs；在稳定断裂阶段主要是纤维抽丝及断裂过程，幅度达到75 dB，振铃计数达到12 000，能量达650 000 mV·μs，大约占总数的18%；最终破坏阶段各参数达到最大值，能量累积超过3 500 000 mV·μs，幅度高达90 dB。通过不同信号参数可以判断试件的不同损伤阶段，为玻璃钢损伤机理研究以及在线声发射检测研究提供基础。

2.3 力学与声学参数关联研究

采用灰色关联法[11-12]，将拉伸强度设为参考列，振铃计数、幅度、能量和持续时间设为比较列，通过MATLAB软件对关联度进行计算，结果表明:拉伸力、弯曲力与幅度之间具有很高的关联度，关联度可达0.861以上，声发射信号参数如图4所示，载荷与声发射信号参数关系如图5所示。力学参数与声发射参数关联度为拉伸力-振铃计数0.837,拉伸力-幅度0.861,拉伸力-能量0.831,拉伸力-持续时间0.845,弯曲力-振铃计数0.821,弯曲力-幅度0.872,弯曲力-能量0.801,弯曲力-持续时间0.824。

研究得到玻璃钢所受外力情况与监测到的声发射信号幅值存在较高的关联，因此可以通过信号幅值准确地反映玻璃钢受力状况以及内部纤维结构的断裂情况，实现对大型玻璃钢承压储罐进行安全性监测，并通过无损的方式对在役玻璃钢设备的力学性能进行评估。

图4 声发射信号参数

图5 载荷与声发射信号参数关系

图6 玻璃钢板材损伤过程中4种典型声发射信号波形及频谱

3 典型信号频谱分析

对声发射信号小波降噪处理后[13-14]，进行波形及频谱分析[15]，得到试件在破坏过程中产生的4种典型信号为基体断裂、纤维抽丝、纤维断裂和整体断裂信号。典型的声发射信号波形及相应的频谱如图6所示。从信号的基本特征来看，其属于突发型信号，并且具有一定的持续时间。

通过对不同破坏阶段产生的声发射信号波形及频谱分析可知，4种典型声发射信号的波形及频谱存在明显的差异，损伤过程中产生的声发射信号频率集中在50 kHz～300 kHz之间。由于基体树脂强度较低，开裂时产生的信号幅值较小，且持续时间最短，信号的峰值频率出现在50 kHz附近，频率最低；纤维抽丝是一个持续性过程，从波形上看，信号持续时间最长，达到1 ms，频率范围较宽，幅值衰减缓慢且规律性较强，这主要是因为此阶段玻璃钢内部损伤加剧且持续，纤维与树脂之间产生大量的破坏。从信号的频谱可以看出，抽丝过程中伴随着基体的开裂现象，信号的峰值频率出现在100 kHz～150 kHz间；纤维断裂信号幅值较高，信号的峰值频率出现在200 kHz附近，并且峰值较明显；试件在最终断裂时，由于大量纤维和树脂集中断裂，释放出大量能量，出现连续型突发信号，信号的幅值最高，峰值频率可达到300 kHz。

4 结论

(1) 纤维铺层角度是决定玻璃钢损伤规律和基本力学性能的主要因素，对于0°和90°试件，载荷与变形基本呈线性关系，表现为脆性材料；对于±45°试件，载荷与变形呈抛物线关系，断裂前试件出现“缩颈”现象，韧性较好。

(2) 试件在不同损伤阶段，声发射信号中振铃计数、幅度、能量和持续时间存在明显差异。同时，拉伸、弯曲力与幅度之间关联度较高，达到0.861以上，可通过信号的幅度准确地反映玻璃钢受力状况以及内部纤维结构的断裂情况。

(3) 玻璃钢损伤产生的信号为突发型信号，存在基体开裂、纤维抽丝、纤维断裂、整体断裂4种典型信号，其波形及频谱区分度较高，存在不同的峰值频率范围。工程应用中，对玻璃钢监测到的声发射信号进行收集，并对信号进行处理和分析，依据波形和频谱特征可分析玻璃钢内部发生的损伤情况。

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