摘　要　本文阐述了声发射技术的特点、主要参数及其对损伤缺陷的鉴别。利用声发射技术监测了纤维缠绕壳体水压试验过程。分析了随着水压增加从基体开裂、层间分层及纤维断裂到最终破坏与声发射信号的关系;研究了水压过程中出现的两次声发射峰所对应的压强与壳体爆破压强的关系。

主题词　声发射技术　纤维缠绕壳体　水压试验　损伤缺陷

1　前　言

纤维缠绕壳体是以高聚物为基体,用高强度增强纤维,如玻璃纤维、有机纤维或碳纤维等在一定形状的芯模上缠绕并经固化而成。因为这种复合材料具有比强度大、比刚度高等诸多优点,大量用于固体火箭发动机,作为燃烧室结构［1］。但是,由于复合材料及其结构制造的复杂性,为了确保纤维缠绕壳体的结构完整性,必须进行质量检测和验收［2］,目前质量检测和验收试验最常用的方法是水压试验,鉴定纤维缠绕壳体在水压试验中损伤的程度及损伤的类型的方法通常采用声发射(Acoustic Emission,简化为AE)技术［3,4］。通过水压试验获得的AE信息判定纤维缠绕壳体的损伤程度,以便挑去那些在未达到所要求的强度范围时就将破坏的纤维缠绕壳体。如何利用AE技术来鉴别纤维缠绕壳体在水压试验过程中的损伤程度和损伤类型,以及如何合理地确定水压检验压强,这是正在积极探索和亟待解决的问题［5］,本文的研究也正是为了这一目的。
2　AE技术
2.1　AE技术的特点
所谓AE通常是指在外力或内应力作用下材料或构件的内部缺陷微结构状态变化时,以弹性波形式释放出的应变能;AE技术则是应用有关仪器来检测、分析AE信号和判断AE源的技术。
AE技术是对纤维缠绕壳体进行检测的一种手段,在水压试验中获得的AE数据可以为评价纤维缠绕壳体的结构完整性提供重要信息。它是一种可以在损伤扩展的同时测定损伤情况的有效方法,能对损伤的类型和损伤的程度进行定位与跟踪测定,也是在出现严重破坏之前预测将发生损伤区域的理想方法。并且可以在试验或服役过程中进行远距离连续监控。
2.2　AE主要参数
目前AE技术已成功地用来检测复合材料损伤的萌生和扩展特性,分析材料损伤程度、鉴别损伤的起始、扩展及严重性程度。AE主要参数有:
(1)振铃系数　振铃系数一般反映材料的损伤状态,振铃累积数则与损伤的累积有关。其随应力应变曲线的变化规律可反映出损伤的起始和扩展特性,载荷-振铃累积数曲线拐点一般与被测材料应力应变曲线的拐点或与某类型损伤的起始有关,且也与材料的强度有关。
(2)AE定位　通常两通道以上的AE仪即能用于定位分析,对于较大型的纤维缠绕壳体一般使用14通道或32通道。再结合相关AE参数,分别判断构件在何处达到怎样的损伤程度。
(3)恒载AE　复合材料的恒载AE信号反映蠕变损伤的不稳定性,并同载荷水平、损伤程度等因素有关。它已成为损伤严重性评价的判据。
(4)AE能量　由于AE信号表征材料内部缺陷损伤扩展时以应力波形式释放应变能的一些主要特征,在一定程度上反映了材料缺陷损伤引起的应变能改变。所以,可以用AE累积能量来描述有关复合材料内部损伤的发展规律。
(5)费利西蒂比(Feilicity Ratio)　材料在加载过程中产生AE,卸载后重新加载又开始产生AE时载荷与卸载前的载荷之比称为费利西蒂比。它反映了复合材料卸载前所受损伤的严重性,也是材料损伤严重性评价的判据。
2.3　AE技术对复合材料损伤类型的鉴别
复合材料的破坏机理比较复杂,纤维断裂、基体开裂、纤维-基体的界面脱粘和分层等主要损伤破坏形式相互交织,而且均为AE源,鉴别某AE信号所对应的破坏类型相当困难。近年来在AE技术研究中,采用振幅、持续时间或能量、频率等多参数分析技术,可以区分复合材料的基体开裂、分层等主要损伤缺陷。
准确的判别AE信号所对应的损伤类型,在很大程度上依赖于经验,即将已往实验中记录的AE信号与试件破坏类型(经解剖和微观结构观察)相对照,从而确定不同破坏类型所对应的AE信号振幅与频率的范围。从一些实验得知,T300、M40纤维复合材料纤维断裂对应高振幅AE信号,一般高于80dB,明显高于界面脱粘对应的AE信号振幅;碳纤维增强塑料的压缩、基体拉伸和纤维束拉伸试验表明,纤维剥离破坏时的AE最大振幅为30dB,基体破坏时的AE最大振幅为40dB,纤维断裂时的AE最大振幅为80dB,因此可用AE的振幅分布来鉴别有关碳纤维复合材料的损伤破坏类型。通过对玻璃钢的试验发现,不同的破坏类型具有不同的AE频率,基体开裂的频率为80～130kHz,界面分离的频率为250～340kHz,纤维断裂的频率为350～430kHz,因此可以认为频率分析也是一种有效的鉴别损伤类型的方法。碳/环氧树脂复合材料试验,表明分层、脱粘等基体的宏观裂纹扩展,产生持续时间长的AE信号,其界限定为3000μs,该判据已被普遍接受。
通过对APMOC/环氧树脂复合材料试件实验得知,产生大振幅长时间持续AE事件标志着基体开裂、分层以及它们的扩展,而分层AE振幅能量较基体开裂的大;产生大振幅短时间事件标志着纤维断裂。
3　纤维缠绕壳体水压试验AE监测
纤维缠绕壳体的水压试验包括水压检验和水压爆破。固体火箭发动机壳体在装药前要进行水压验收检验,即水压检验试验,水压检验压强与发动机最大工作压强之比称为水压检验系数,其值一般为1.05～1.10。水压爆破试验是对壳体加水压直至破坏,用壳体破坏时的压强验证理论设计的准确性。由爆破压强可以得到壳体的安全系数,即爆破压强与发动机最大工作压强之比,其值一般在1.4～1.7之间。为了确定纤维缠绕壳体在水压试验中随着压强变化不同部位的损伤程度和损伤类别,以及评价纤维缠绕壳体结构的完整性,需对水压试验过程进行AE监测。

3.1　试件概况
纤维缠绕发动机壳体长约为1600mm,直径约为1400mm,筒段壁厚约为7.5mm,最大工作压强约为5.98MPa。材料为APMOC/环氧树脂,由6个纵向循环和13个环向层交替平面缠绕而成。在水压检验前没有受载历史。其结构见图1。
3.2　AE仪探头分布
采用一台微机控制的十四通道AE分析仪,其门坎值为65dB,主放增益为20dB,前放增益为40dB,探头中心频率为150kHz。探头分布如图2(a)、(b)、(c)。

(a)前封头　　　(b)后封头　　　(c)圆筒段(沿周向展开)
图2　纤维缠绕壳体水压检验试验AE探头分布

图3　压强—时间分布

3.3　纤维缠绕壳体水压检验声发射监测
3.3.1　水压检验程序
升压程序为0→0.5→2→3→4→5→5.98(MPa)。稳压1分钟后降压至0,压强—时间曲线如图3。
3.3.2　试验观察与记录
从升压至0.76MPa试件开始发出响声,AE信号增强。在2～3MPa期间,“劈劈啪啪”声增大。随后响声减弱,6MPa稳压期间,AE信号逐渐消失。降压时,AE信号微弱。在试验过程中除1#、11#探头因脱落或耦合不良外,其余通道信号采集正常。
3.3.3　试验结果及分析
(1)对纤维缠绕壳体整个检验过程中记录的AE信号总冲击数为:101980,总计数为:758833,累积能量为:3631714单位。
(2)大幅度长持续时间事件见图4、图5。该壳体有237个大幅度、长持续时间事件,在12#通道附近较显著,有38个,其余的小于25个;且事件集中在4MPa之前发生,在1～2MPa时最多。

图4　大幅度长持续时间事件——时间分布

图5　大幅度长持续时间事件——通道分布
(3)大幅度短持续时间事件如图6、图7。该壳体大幅度、短持续时间事件为:2#通道1760,4#、6#及12#通道均为1100左右;8#、10#通道为800～1000;其余小于800。观察图6,在6MPa稳压期间AE信号呈收敛趋势。

图6　大幅度短持续时间事件——时间分布

图7　大幅度短持续时间事件——通道分布
3.3.4　试验结论
根据检压数据得知,该壳体在检压过程中,在12#通道区域有较多的宏观基体开裂及分层,在2#通道区域有较多的纤维断裂。
3.4　纤维缠绕壳体水压爆破试验AE监测
水压爆破试验是在水压检验之后,继续增加压强,直至纤维缠绕壳体爆破的过程。在爆破阶段,AE信号出现第二个高峰,表明在大量纤维断裂及大面积分层,直至壳体爆破。水压爆破试验监测分析过程与水压检验试验类似,这里不再重述。

图8　纤维缠绕壳体AE计数率与内压的关系
4　水压试验AE监测研究分析
纤维缠绕壳体的AE监测表明,AE计数率与内压之间的关系曲线如图8,AE特性曲线可分三个阶段:早期AE峰阶段,平静阶段及爆破阶段。以下对此进行分析讨论。
第一阶段,壳体在初始加压过程中,随着压强增加,开始出现AE信号,在某一压强Pi处,AE计数率出现高峰,称为早期AE峰,Pi为早期AE峰压强。在这一阶段,可以听到“劈劈啪啪”的响声,壳体表面出现沿纤维方向的裂纹,表明基体大量开裂。经过多次试验发现,状态相同、工艺稳定的纤维缠绕壳体的早期AE峰压强与爆破压强之间存在以下关系。

Pi=λPb
(1)
式中,Pb为爆破压强,系数λ主要受原材料及工艺条件的影响,在某一范围内变化,其范围的大小反映壳体缠绕过程中工艺的稳定状况。早期AE峰压强则反映壳体的整体坚固性,Pi值小表明壳体的基体开裂应力低,相应的壳体爆破压强也偏低;反之需要较高的应力才能使壳体的基体开裂,则壳体的爆破压强也高。
对于状态确定的壳体,通过一定数量的爆破试验,可以测得较稳定的λ值。这样在进行纤维缠绕壳体的水压验收试验时,就可通过AE测得早期AE峰压强以预报壳体的爆破压强。在一般情况下,λ的取值在0.2左右。
第二阶段,随着压强继续增加,AE信号逐渐减少,进入平静阶段。此时基体开裂基本达到饱和,仅伴有少量的界面脱粘,分层及纤维断裂。一般情况下,基体配方与界面强度较适宜,层间剪切强度较高,这个阶段较长,壳体的整体坚固性就越好。
第三阶段,当P=Pr时,AE信号又开始急剧增加,直到壳体爆破,出现AE信号第二个高峰。这一阶段的AE信号主要是由于纤维大量断裂和大面积分层所引起的。AE信号出现再次增长时的压强Pr对纤维缠绕壳体设计具有重要意义。通过对纤维缠绕壳体的大量试验表明存在如下关系,

Pr=kPb
(2)
式中,参数k的取值范围一般在0.7左右。
卸载后再加载,当P＜Pr时,一般不出现明显的AE信号。纤维缠绕壳体在基体开裂达到饱和直至出现大面积分层或大量的纤维断裂之前,AE特性具有明显的不可逆性,即凯塞(Kaiser)效应。一些研究结果表明,稳压期间的AE、高振幅的AE信号和费利西蒂比是有关壳体评价的重要参数。如在总增益80dB、门槛电压1V的试验条件下,AE总计数不超过5000、振幅大于70dB的事件不超过10个、稳压二分钟后不继续出现AE信号、费利西蒂比不小于0.95,则壳体的安全系数将不小于0.5。
5　结　论
(1)采用AE技术监控纤维缠绕壳体水压试验过程,可以判定其在不同压强下损伤发生的部位、损伤的程度及损伤的类型。
(2)通过AE技术可以合理地确定纤维缠绕壳体的水压检验压强,并且也可以预报其爆破压强。
(3)AE技术用于纤维缠绕壳体水压试验过程的监控是可行的。
(4)本文的研究为纤维缠绕壳体的理论分析提供了实验依据。