碳纖維復(fù)合材料損傷識(shí)別的AE頻響分析方法

韓文欽，顧愛(ài)軍

(1．江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 江蘇理工學(xué)院 材料工程學(xué)院，江蘇 常州 213001；

3.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

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碳纖維復(fù)合材料損傷識(shí)別的AE頻響分析方法

韓文欽1,2，顧愛(ài)軍3

(1．江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 江蘇理工學(xué)院 材料工程學(xué)院，江蘇 常州 213001；

3.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

摘要：為了深入理解樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料的損傷發(fā)生和演化規(guī)律，制作了三種不同鋪層的中心開(kāi)孔的拉伸試樣和一種用于測(cè)試層裂的拉伸試樣，應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)全程監(jiān)測(cè)拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果分析表明，聲發(fā)射信號(hào)的峰值頻率能有效的識(shí)別復(fù)合材料的各種損傷模式。對(duì)在試驗(yàn)過(guò)程中采集的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行希爾伯特-黃變換，可以有效的分離隱含于聲發(fā)射信號(hào)中的復(fù)合材料各種損傷模式，為聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)提供有效方法。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；聲發(fā)射；希爾伯特-黃變換；峰值頻率

0引言

高性能碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料以其高比強(qiáng)高比模等許多優(yōu)點(diǎn)在航空航天及土木工程領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用[1]。但復(fù)合材料在服役過(guò)程中容易產(chǎn)生不可目視的內(nèi)部損傷, 嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)服役的安全可靠性, 所以對(duì)其破壞過(guò)程和損傷機(jī)理的研究是復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)研制、設(shè)計(jì)與安全評(píng)估的重大課題。復(fù)合材料的損傷演化是一個(gè)從微觀、細(xì)觀損傷萌生、發(fā)展逐漸累積直至宏觀失效的漸進(jìn)過(guò)程，復(fù)合材料的損傷模式大致可分為纖維斷裂、基體開(kāi)裂、纖維與基體界面脫粘、纖維抽拔及分層等。聲發(fā)射(Acoustic Emission, AE)技術(shù)以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)損傷過(guò)程為特點(diǎn), 能夠在線監(jiān)測(cè)損傷的萌生和破壞過(guò)程, 是一種有效地檢查動(dòng)態(tài)缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。復(fù)合材料的每一種損傷發(fā)生、發(fā)展都有對(duì)應(yīng)的、明顯的聲發(fā)射特征，利用聲發(fā)射技術(shù)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別復(fù)合材料各種損傷演化中所呈現(xiàn)的細(xì)微特征，因此，聲發(fā)射技術(shù)是研究復(fù)合材料的損傷機(jī)理和結(jié)構(gòu)安全評(píng)估最為有效的方法之一[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)聲發(fā)射技術(shù)在復(fù)合材料損傷檢測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了諸多研究，文獻(xiàn)[3-5]應(yīng)用幾種方法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)提取損傷特征進(jìn)行信號(hào)處理和模式識(shí)別，在對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行損傷模式識(shí)別時(shí)以上方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。由于聲發(fā)射信號(hào)的本質(zhì)特征和不同源信號(hào)的相互疊加, 得到的損傷信號(hào)往往伴隨有非平穩(wěn)和非線性的特性, 用傳統(tǒng)的時(shí)頻分析方法難以準(zhǔn)確地提取損傷信息。美國(guó)華裔科學(xué)家Huang N E于1996年提出了一種新型的非線性非穩(wěn)態(tài)信號(hào)處理方法[6]：希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform ,HHT)。HHT方法從信號(hào)自身特征出發(fā)，用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition ,EMD)方法把信號(hào)分解成一系列的本征模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Functions ,IMF)，然后對(duì)這些IMF分量進(jìn)行Hilbert變換，從而得到時(shí)頻平面上能量分布的Hilbert譜圖，可以準(zhǔn)確地表達(dá)信號(hào)在時(shí)頻面上的各類(lèi)信息。本文利用聲發(fā)射信號(hào)的峰值頻率識(shí)別復(fù)合材料的各種損傷模式，應(yīng)用希爾伯特-黃變換提取隱含于聲發(fā)射信號(hào)中的復(fù)合材料各種損傷模式，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估提供新方法。

1試驗(yàn)研究

本文試驗(yàn)所用的材料為環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維層合板，層合板由碳纖維-環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸片經(jīng)模壓成型工藝制作，預(yù)浸片的厚度為0.25mm。試樣是從碳纖維復(fù)合材料層合板上切割制作完成的，七種試樣共有四種鋪層方式，其中有四種試樣用于單向拉伸試驗(yàn)：[0]12、[90]12和[45/-45]4s，四種拉伸試樣的中心有一直徑為4mm的圓孔，另外一種試樣是雙懸臂梁試樣(Double Cantilever Beam，DCB)，用于測(cè)試層合板的層間斷裂韌性的，每種試樣的幾何形狀和聲發(fā)射傳感器布置位置見(jiàn)圖1，各種試樣的寬度和厚度及試樣命名見(jiàn)表1。

圖1　試樣的幾何形狀和傳感器布置位置

試驗(yàn)類(lèi)型鋪層方式名稱(chēng)試樣寬度(mm)試樣厚度(mm)拉伸試驗(yàn)[0]12U0253拉伸試驗(yàn)[90]12U90253拉伸試驗(yàn)[45/-45]4SC45254層間斷裂韌性—雙懸臂梁[0]12DCB303

2試驗(yàn)分析與處理

2.1U0單向板試樣結(jié)果分析

U0試樣在拉伸過(guò)程中的載荷、AE信號(hào)幅度、AE信號(hào)能量和峰值頻率隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖2所示，顯然，整個(gè)過(guò)程可分為3個(gè)階段，在第1階段(0-11.4秒)，沒(méi)有AE信號(hào)產(chǎn)生。在第2階段(11.4-181.2秒)，載荷-時(shí)間曲線幾乎為直線，有大量AE信號(hào)產(chǎn)生，這些AE信號(hào)具有較低的幅度值(0.1-400mv)和較低的能量值(0.1-200mv*ms)，絕大部分AE信號(hào)的峰值頻率分布在140-190kHz，一般情況下，在低應(yīng)力水平下復(fù)合材料會(huì)產(chǎn)生基體微裂紋，這并不影響材料力學(xué)性能。在61.581秒時(shí)選擇一AE信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform ，F(xiàn)FT)，AE信號(hào)的波形和FFT見(jiàn)圖3(a)、(b)所示，F(xiàn)FT功率譜顯示一個(gè)峰值，其峰值頻率為178kHz，F(xiàn)FT功率譜反映材料的損傷事件發(fā)生，其峰值頻率能對(duì)應(yīng)于某種損傷模式。對(duì)AE信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)，在經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行希爾伯特-黃變換(HHT)，三維時(shí)頻分布圖見(jiàn)圖3(c)所示，在AE信號(hào)的整個(gè)時(shí)間歷程上，信號(hào)中只存在一種頻率成分，這種頻率成分可能對(duì)應(yīng)某種損傷形式。

(a)載荷-時(shí)間-幅度；(b)載荷-時(shí)間-能量；(c)載荷-時(shí)間-峰值頻率

圖3 (a)在61.581秒時(shí)的AE波形；(b)傅里葉變換；(c)AE信號(hào)經(jīng)HHT得到的三維時(shí)頻分布圖

圖4 (a)在200.538秒時(shí)的AE波形；(b)傅里葉變換；(c)AE信號(hào)進(jìn)行HHT分解得到的三維時(shí)頻分布圖

在第3階段(181.2-219.3秒)，由于在圓孔邊緣出現(xiàn)與加載方向平行的縱向劈裂裂紋，載荷急劇下降。AE信號(hào)的幅值和能量急劇增加，出現(xiàn)了幾種峰值頻率范圍：30-50 kHz、 90-105 kHz、 140-190 kHz、230-290 kHz 和 370-390 kHz，每一個(gè)頻率范圍可能對(duì)應(yīng)于一種損傷的發(fā)生，顯然，在第3階段比第2階段多了幾種損傷發(fā)生。在拉伸試驗(yàn)最后時(shí)段，縱向的基體開(kāi)裂、纖維與基體界面脫粘以及纖維斷裂可能導(dǎo)致試樣最終斷裂。在200.538秒時(shí)選擇一AE信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform ，F(xiàn)FT)，AE信號(hào)的波形和FFT見(jiàn)圖4(a)、(b)所示，F(xiàn)FT功率譜顯示幾個(gè)峰值，但是AE信號(hào)的峰值頻率為160kHz，可能的解釋是AE信號(hào)中包含幾種損傷發(fā)生時(shí)激發(fā)的幾種信號(hào)成分，每一種信號(hào)成分對(duì)應(yīng)于某種頻率范圍。為了區(qū)分包含于AE信號(hào)中的損傷模式對(duì)應(yīng)的信號(hào)成分，對(duì)AE信號(hào)進(jìn)行HHT變換，得到其三維時(shí)頻分布圖見(jiàn)圖4(c)所示，AE信號(hào)包含幾種頻率范圍：320-390 kHz、140-190 kHz和 30-70 kHz，其中30-70 kHz所對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值是很低的。

2.2其他試樣的拉伸試驗(yàn)的AE頻響結(jié)果分析

從U0試樣的拉伸過(guò)程的AE參數(shù)圖(見(jiàn)圖2)可以看出，AE信號(hào)的幅值和能量不能區(qū)分復(fù)合材料的損傷形式，只能反映復(fù)合材料的損傷嚴(yán)重程度。從對(duì)AE信號(hào)進(jìn)行HHT變換可知，一個(gè)AE信號(hào)中同時(shí)包含幾種損傷源激發(fā)的損傷信息，現(xiàn)在的聲發(fā)射信息采集系統(tǒng)的信號(hào)采樣速率比較高，采集的一個(gè)AE信號(hào)中可能同時(shí)摻雜著幾種損傷源激發(fā)的信號(hào)，一個(gè)AE信號(hào)的幅值和能量是幾個(gè)包含在內(nèi)的AE信號(hào)的幅值和能量的疊加，所以在U0試樣拉伸過(guò)程到了最終失效階段時(shí)，幾種損傷大量的集中發(fā)生，采集的AE信號(hào)幅值和能量都很大(見(jiàn)圖2)，同時(shí)，AE信號(hào)的峰值頻率分布呈現(xiàn)密集、多樣化的特征，而且，峰值頻率具有一定的分布規(guī)律，可能與各種損傷形式有關(guān)。

圖5　所有試驗(yàn)的AE信號(hào)的峰值頻率分布

同U0試樣拉伸試驗(yàn)一樣，其它三種試樣(見(jiàn)表1)在拉伸過(guò)程中全程聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，對(duì)所有試樣在拉伸過(guò)程中采集的AE信號(hào)進(jìn)行了快速傅里葉變換(FFT)，所獲得的每一種試樣所有AE信號(hào)的峰值頻率分布圖見(jiàn)圖5所示，從圖5可以看出，峰值頻率大小隨時(shí)間有規(guī)律的分布，其分布大致可以歸納為五種類(lèi)型：(1)0-50 kHz用b1表示；(2)70-110 kHz用b2表示；(3)130-200 kHz用b3表示；(4)230-290 kHz用b4表示；(5)330-400 kHz用b5表示。

b3除了沒(méi)有在DCB試驗(yàn)中出現(xiàn)，在其它試樣的拉伸試驗(yàn)中都出現(xiàn)了該頻帶，在U90試驗(yàn)中b3幾乎是唯一存在的；b3都是從試驗(yàn)開(kāi)始一直持續(xù)到結(jié)束，并且其發(fā)生的數(shù)量最多。在U90試驗(yàn)中一般以基體開(kāi)裂失效形式為主，基體開(kāi)裂損傷在每種試樣拉伸過(guò)程中出現(xiàn)的最早，b3對(duì)應(yīng)的峰值頻率范圍為130-200 kHz的AE信號(hào)應(yīng)該是基體開(kāi)裂損傷發(fā)生時(shí)所激發(fā)的。

b2在DCB試驗(yàn)中是主要的峰值頻率帶，該損傷應(yīng)該是DCB試驗(yàn)中最主要的損傷模式；而且b2自始至終出現(xiàn)在C45試驗(yàn)中，可以斷定b2對(duì)應(yīng)的峰值頻率范圍為70-110 kHz的AE信號(hào)應(yīng)該是分層損傷發(fā)生時(shí)所激發(fā)的，因?yàn)榉謱訐p傷是DCB試驗(yàn)的最主要的失效形式，在C45試樣中由于在±45鋪層之間的界面存在切應(yīng)力，分層損傷極易發(fā)生。

b1對(duì)應(yīng)的AE事件在所用的試驗(yàn)中均有發(fā)生，其所對(duì)應(yīng)的損傷是U90和DCB試驗(yàn)的主要損傷形式，一般地，纖維與基體界面脫粘是U90和DCB試樣主要的損傷模式，因此，b1對(duì)應(yīng)的峰值頻率范圍為0-50 kHz的AE信號(hào)應(yīng)該是纖維與基體界面脫粘損傷發(fā)生時(shí)所激發(fā)的。

b5除了在U90和DCB試驗(yàn)中沒(méi)有出現(xiàn)，在其它兩個(gè)試樣中都有發(fā)生，而且出現(xiàn)在拉伸試驗(yàn)的后半程。參考已有相關(guān)文獻(xiàn)，纖維斷裂失效會(huì)產(chǎn)生高頻的AE事件，所以，峰值頻率范圍為330-400 kHz的AE信號(hào)與纖維斷裂事件有關(guān)。

b4在各種試驗(yàn)中發(fā)生、發(fā)展的情況與b5相似，當(dāng)U0試樣中出現(xiàn)縱向劈裂裂紋時(shí)，b4對(duì)應(yīng)的AE事件數(shù)量急劇增加(見(jiàn)圖2)，而且與方向的纖維有關(guān)，因此，峰值頻率范圍為230-290 kHz的AE信號(hào)與纖維抽拔事件有關(guān)。

綜上所述，各種損傷模式所對(duì)應(yīng)的AE信號(hào)峰值頻率分布范圍可總結(jié)為圖6所示。

圖6　損傷模式所對(duì)應(yīng)的峰值頻率分布

3結(jié)論

對(duì)七種碳纖維復(fù)合材料拉伸試樣進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，同時(shí)全程聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，對(duì)每種試樣在加載過(guò)程中采集的所有聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行后處理分析，分析結(jié)果表明聲發(fā)射信號(hào)的幅度和能量不能有效的區(qū)分損傷模式，聲發(fā)射信號(hào)的峰值頻率可以有效地識(shí)別復(fù)合材料中發(fā)生的不同損傷模式，并獲得了各種損傷發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)的峰值頻率分布范圍。

復(fù)合材料發(fā)生損傷時(shí)激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)快速傅里葉變換可以獲得信號(hào)的頻率分布，一個(gè)AE信號(hào)峰值頻率可能對(duì)應(yīng)信號(hào)中所包含的主要損傷，AE信號(hào)中所隱含的其它損傷信息可通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行希爾伯特-黃變換提取出來(lái)，希爾伯特-黃變換能夠在時(shí)域上有效地識(shí)別一個(gè)AE信號(hào)所包含的所有損傷模式，為復(fù)合材料損傷研究提供新的方法。

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(責(zé)任編輯：孫文彬)

Damage Modes Recognition of CFRP Laminates Basedon Acoustic Emission Technique

HAN Wen-qin1,2, GU Ai-jun3

(1.Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Jiangsu University, Zhenjiang Jiangsu 212013, China;2. School of Material Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou Jiangsu 213001, China;3. School of Hydraulic, Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou Jiangsu 225009, China)

Abstract:To gain a deeper understanding of the initiation, growth and evolution of the different types of damage, three types of specimens with different lay-ups and orientations and one type of specimen for interlaminar toughness test were subjected to the tensile test along with acoustic emission monitoring. AE signals were collected and post-processed, and the statistical results showed that the peak frequency of AE signal could distinguish various damage modes effectively. After an AE signal was decomposed by Hilbert-Huang Transform (HHT) method, it might separate and extract all damage modes included in this AE signal apart from damage mode corresponding to the peak frequency. it provides an effective mthod for safety monitor of composites using acoustic emission technique.

Key words:CFRP; acoustic emission; Hilbert-Huang transform; peak frequency

中圖分類(lèi)號(hào)：TU599,TB332

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-7961(2016)01-0067-05

作者簡(jiǎn)介：韓文欽(1973-)，男，河北邯鄲人，副教授，在讀博士，主要從事工程力學(xué)方面研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11402101)；江蘇省產(chǎn)業(yè)前瞻與共性關(guān)鍵技術(shù)(BE2015007-1)

收稿日期：2015-10-20