玻璃纖維復(fù)合材料板聲發(fā)射信號傳播特性

馬 波,陳健飛,李 標(biāo),楊 勇,江文軍,仇東泉,謝珂銘,周先軍

(1.中國石化勝利油田分公司,東營257000;2.中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院,青島266580)

玻璃纖維復(fù)合材料板聲發(fā)射信號傳播特性

馬 波1,陳健飛1,李 標(biāo)2,楊 勇1,江文軍1,仇東泉1,謝珂銘2,周先軍2

(1.中國石化勝利油田分公司,東營257000;2.中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院,青島266580)

以玻璃纖維復(fù)合材料板為研究對象,通過斷鉛試驗分析了聲發(fā)射信號在復(fù)合材料中的衰減規(guī)律和傳播速度規(guī)律。根據(jù)試驗結(jié)果對波速表達(dá)式進(jìn)行了多項式擬合,得到了聲發(fā)射信號沿任意方向傳播時的傳播速度,利用多項式計算得到的波速進(jìn)行線性定位,其定位誤差在3%以內(nèi),驗證了波速-傳播方向多項式的有效性,為后期玻璃纖維復(fù)合材料聲發(fā)射源定位研究奠定了基礎(chǔ)。

復(fù)合材料;聲發(fā)射;衰減;聲速;定位

在內(nèi)力或外力作用下,材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射現(xiàn)象[1],用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射波和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)[2],聲發(fā)射技術(shù)目前已成為研究復(fù)合材料斷裂機制和檢測復(fù)合材料設(shè)備的重要方法[3]。對大型設(shè)備進(jìn)行無損檢測時,其核心問題之一是能否運用現(xiàn)有的無損檢測手段,對設(shè)備現(xiàn)存的或者是潛在的缺陷、損傷進(jìn)行準(zhǔn)確定位,而準(zhǔn)確獲得玻璃鋼材料聲發(fā)射信號傳播特性是進(jìn)行有效定位的前提條件。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異性、異形的材料,在宏觀尺度上復(fù)合而成的一種新型材料[4],具有不均勻性和各項異性,受纖維和基體之間界面的影響,聲發(fā)射波在復(fù)合材料中傳播時,不同傳播方向上的傳播特性有所差別[5]。筆者通過對正交編織的玻璃纖維復(fù)合材料板進(jìn)行聲發(fā)射信號傳播特性基礎(chǔ)性研究,系統(tǒng)地分析聲發(fā)射信號的傳播特點與規(guī)律,研究聲發(fā)射信號在玻璃纖維復(fù)合材料板中的衰減特征、聲速與纖維角度的關(guān)系、聲源線性定位三個方面的內(nèi)容,為二維正交玻璃纖維復(fù)合材料聲發(fā)射源定位傳感器的布置及波速設(shè)置奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗過程

1.1 試驗材料及設(shè)備

試驗所用的材料為正交編織玻璃纖維增強復(fù)合材料平板,玻璃纖維方向如圖1所示,復(fù)合材料平板尺寸:長度L為1 200 mm,寬度W為1 200 mm,厚度B為4 mm。

圖1 玻璃纖維方向示意

試驗采用的聲發(fā)射檢測儀為聲華科技公司生產(chǎn)的SAEU2S-2A型聲發(fā)射檢測儀,傳感器型號為SR150M,中心頻率為150 k Hz。信號采集峰值定義時間(PDT)設(shè)為50μs、參數(shù)間隔(撞擊定義時間HDT)為150μs、閉鎖時間(撞擊閉鎖時間HLT)為300μs、采樣頻率為2 MHz、采樣點數(shù)為2 048。

1.2 試驗方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18182－2012《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法》的要求,試驗采用φ0.5 mm,硬度為HB的自動鉛筆模擬聲發(fā)射源,鉛芯伸長量為2.5 mm,與板面成30°夾角進(jìn)行斷鉛試驗。圖2為傳感器布置示意,取圖2中水平纖維方向為0°,分別在角度為0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°的方向上對波速、衰減進(jìn)行測量。在0°傳播方向上進(jìn)行數(shù)據(jù)測量時,以凡士林為耦合劑在距斷鉛100 mm位置處布置聲發(fā)射傳感器S1,距斷鉛300 mm位置處布置傳感器S2,在斷鉛位置3次斷鉛并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;然后將傳感器S2分別布置在距離斷鉛500, 700,900,1 100 mm位置處,分別進(jìn)行斷鉛試驗,從而完成0°傳播方向的數(shù)據(jù)測量,采用相同的方法完成15°,30°,45°,60°,75°,90°方向上的數(shù)據(jù)采集。

圖2 傳感器布置示意

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 信號衰減規(guī)律

對同一傳感器布置位置得到的三次斷鉛信號的幅度求平均值,得到信號傳播不同距離后幅度的衰減,其結(jié)果如表1所示。

表1 不同傳播方向幅度衰減統(tǒng)計 dB

幅度衰減隨距離變化曲線如圖3所示,隨著傳播距離的增加信號幅度衰減在增大,但傳播距離不同衰減速率也不同,在距離聲發(fā)射源較近區(qū)域幅度衰減較快,隨著距離的增加信號幅度衰減速率減小。信號傳播距離小于200 mm時,不同傳播方向上的幅度衰減未存在明顯差別,幅度衰減約為20 dB。但隨著傳播距離變大,不同傳播方向上的衰減規(guī)律呈現(xiàn)出差別:聲發(fā)射波傳播距離超過200 mm后,在30°, 45°,60°傳播方向上的幅度衰減相對較快,在45°傳播方向上聲發(fā)射波傳播距離為1 000 mm時幅度衰減了50 dB,平均衰減0.052 6 dB·mm－1;在0°,90°傳播方向上聲發(fā)射波傳播距離為1 000 mm時幅度衰減了40 dB,平均衰減0.041 05 dB·mm－1。相對30°,45°,60°傳播方向,0°,90°傳播方向上的幅度衰減速率相對較小。

圖3 幅度衰減隨距離變化曲線

由不同傳播方向上的幅度衰減可知,聲發(fā)射信號沿著纖維方向傳播時衰減較慢,與纖維成一定角度傳播時的信號幅度衰減較快,在與纖維夾角為45°時衰減最快。由于不同傳播方向上幅度衰減速度不同,后期對玻璃纖維鋼板進(jìn)行聲發(fā)射源定位研究時,傳感器布置間距要考慮傳播方向的影響。

2.2 信號傳播速度規(guī)律

基于時差分析法可得到信號傳播速度,由兩傳感器之間的距離及信號到達(dá)兩傳感器的時間差可計算出聲發(fā)射信號在復(fù)合材料板上的聲速,聲速求解公式為:

式中:s為兩傳感器間的距離;t1、t2分別為信號傳播到達(dá)兩傳感器的時間。

取2號傳感器位于1 100 mm位置處采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對三次斷鉛測得波速求平均值,得到不同傳播方向的傳播速度如表2所示。

表2 不同傳播方向的波速

為便于觀察波速隨角度的變化關(guān)系和多項式的擬合,波速與纖維角度變化曲線如圖4所示。

圖4 波速與纖維角度變化曲線

由波速測量結(jié)果可見,聲發(fā)射波在玻璃纖維增強復(fù)合材料平板中傳播時,傳播方向不同時波速存在明顯差別,在0°傳播方向傳播速度為3 162.0 m·s－1,隨著角度增大傳播速度減小,在45°時波速最小為2 899.1 m·s－1,45°后隨著角度增大傳播速度逐漸增大。從波速與角度變化曲線可以看出,聲發(fā)射信號波速在0°～90°范圍內(nèi)呈現(xiàn)“V”型變化。復(fù)合材料內(nèi)部纖維是信號傳輸?shù)闹饕d體,其纖維夾角的變化對信號聲速傳播特征具有很大的影響。

為了得到任意角度的波速,需對波速隨角度的變化曲線進(jìn)行多項式擬合。由于試驗數(shù)據(jù)是等距分布,如果直接進(jìn)行多項式擬合則會產(chǎn)生龍格現(xiàn)象,為了避免產(chǎn)生龍格現(xiàn)象,采用分段擬合多項式的方法。根據(jù)波速與角度變化曲線,以45°角為分界,采用MATLAB工具經(jīng)多項式擬合得到波速與角度的分段多項式,即:

式中:a為與基準(zhǔn)纖維的角度;v為各角度下的波速,m·s－1。

由式(2)可以得到聲發(fā)射波在玻璃纖維增強復(fù)合材料平板中傳播時任意方向的傳播速度,為玻璃纖維增強復(fù)合材料聲發(fā)射源的定位提供了準(zhǔn)確的波速。

2.3 聲源線性模擬定位

為了驗證波速與纖維夾角多項式的有效性,式(2)中的角度a取50°,計算得出該角度下的波速為2 916.5 m·s－1。然后進(jìn)行聲源線性模擬定位試驗,設(shè)置分析參數(shù)的波速為2 916.5 m·s－1。將兩傳感器布置在玻璃纖維復(fù)合材料板材的50°角上,傳感器的距離設(shè)置為500 mm,然后在離1號傳感器150 mm的位置處做斷鉛模擬聲發(fā)射源。從軟件的定位圖中讀取定位的結(jié)果,其定位結(jié)果為148 mm,結(jié)果如圖5所示。

圖5 聲源線性模擬定位結(jié)果

然后選取任意角度重復(fù)上面的操作,進(jìn)一步驗證式(2)的正確性,得到的定位結(jié)果與真實位置如表3所示。

表3 定位結(jié)果與真實位置

從定位結(jié)果中可以看出,利用計算得到的波速進(jìn)行定位的誤差在3%之內(nèi),精度較高。

3 結(jié)論

(1)聲發(fā)射信號幅度衰減與距離存在正相關(guān)的關(guān)系,隨著距離增大衰減也增大,但衰減速率減小。聲發(fā)射信號沿著纖維方向的衰減較小,與纖維夾角越大,信號幅度衰減較大,在45°時衰減最大。后期對玻璃纖維增強復(fù)合材料平板進(jìn)行聲發(fā)射源定位研究時,傳感器布置間距要考慮傳播方向的影響。

(2)聲速在0°～90°之間聲發(fā)射信號波速呈現(xiàn)“V”型,在0°和90°纖維方向傳播速度最大,45°時傳播速度最小,即聲發(fā)射波在復(fù)合材料中傳播時沿纖維束方向傳播的速度較大,與纖維束方向夾角越大傳播速度越小。

(3)基于聲速分段擬合公式對模擬聲源進(jìn)行定位研究,結(jié)果表明:定位誤差在3%以內(nèi),定位精度較高。

[1] 袁振明,馬羽寬,何澤云.聲發(fā)射技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1985.

[2] 馮琰妮,祿芳菊,龐虎平,等.聲發(fā)射波在不同復(fù)合材料容器表面的衰減特性[J].無損檢測,2014,36(12): 69-72.

[3] 楊瑞峰,馬鐵華.聲發(fā)射技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].中北大學(xué)學(xué)報,2006,27(5):456-460.

[4] 張少時,莊茁.復(fù)合材料與粘彈性力學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[5] 雷濤,陽能軍,龍憲海,等.一種針對復(fù)合材料的聲發(fā)射源定位方法[J].振動與沖擊,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

馬 波(1970－),男,高級工程師,主要從事油田科研和油田地面工程檢驗檢測等相關(guān)工作。

李 標(biāo),E-mail:1048947074＠qq.com。