車載氣瓶用復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲聲發(fā)射特性研究
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楊思民 葉榮耀 王強(qiáng)
(1．湖南安普環(huán)�？萍加邢薰� 長沙 410100)
(2．中國計(jì)量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院 杭州 310018)
摘要：以WDW-1 00萬能試驗(yàn)機(jī)和SAMOS聲發(fā)射檢測儀器搭建試驗(yàn)平臺，對車載氣瓶用玻璃纖維復(fù)合材料試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲聲發(fā)射特性研究。對采集到的聲發(fā)射信號進(jìn)行參數(shù)分析，并研究其損傷機(jī)理，得到玻璃纖維試件損傷產(chǎn)生、發(fā)展直至最終破壞整個(gè)過程所呈現(xiàn)出來的聲發(fā)射特征，辨別出試件失效過程中不同的損傷模式和損傷階段，為評價(jià)玻璃纖維復(fù)合材料的質(zhì)量和安全性提供一定的依據(jù)。
關(guān)鍵詞：玻璃纖維三點(diǎn)彎曲聲發(fā)射安全監(jiān)測
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，長管拖車氣瓶在工業(yè)、能源和物流等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，我國也從20世紀(jì)90年代中期的長管拖車整車進(jìn)口國發(fā)展為世界上最大的長管拖車生產(chǎn)國和使用國。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，玻璃纖維復(fù)合材料的高強(qiáng)度比和高容重比特性，不僅可以降低車載氣瓶的整體重量，而且具有更高的有效載荷，具有廣泛的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，由于復(fù)合材料氣瓶的制造工藝復(fù)雜和使用不當(dāng)，導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量不穩(wěn)定，缺陷的存在不可避免，為使車載氣瓶滿足設(shè)計(jì)壓力及后續(xù)使用的安全性、可靠性要求，對玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行無損檢測具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1試驗(yàn)材料及聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)
1.1試驗(yàn)材料
本次試驗(yàn)的對象為車載氣瓶用玻璃纖維，其各項(xiàng)基本性能見表1。玻璃纖維纏繞增強(qiáng)材料是增強(qiáng)體為玻璃纖維物質(zhì)的復(fù)合材料。玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的非晶無機(jī)材料，其主要由二氧化硅、B、Na、Ca、Al等的氧化物組成。玻璃纖維單絲的直徑約為5～20um，單束纖維原絲由成百上千的單絲構(gòu)成。玻璃纖維密度約為2. 55g/cm3，熱脹系數(shù)為4.7×10-6K-l。依據(jù)GB/T 1449-2005 （（纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》，定做試件的形狀尺寸如圖1所示。
1.2聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)
1.2.1 WDW-100萬能試驗(yàn)機(jī)
本文選用的WDW-100電子萬能試驗(yàn)機(jī)來自于長春科新實(shí)驗(yàn)儀器有限公司，利用萬能試驗(yàn)機(jī)對玻璃纖維復(fù)合材料試件進(jìn)行下空間壓縮加載，其最大試驗(yàn)力為100kN，試驗(yàn)速度區(qū)間0.05～200mm/min，試驗(yàn)速度控制精度小于±1%，拉伸空間有效值650mm，試驗(yàn)寬度有效值550mm。
1.2.2聲發(fā)射檢測儀器
本文采用美國物理聲學(xué)公司(PAC)的SAMOS-Ⅱ型聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，包括：PCI-8型信號采集卡，R15 a型聲發(fā)射傳感器，該傳感器頻率范圍50～400kHz．諧振頻率150kHz，通過2/4/6-ap前置放大器與聲發(fā)射儀連接采集數(shù)據(jù)，門檻值為40dB，聲發(fā)射傳感器直接黏貼在玻璃纖維復(fù)合材料試件表面，采用專用耦合劑耦合。
2試驗(yàn)過程及結(jié)果分析
2.1試驗(yàn)過程
打開WDW-100萬能試驗(yàn)機(jī)自身配備的控制軟件P-Main，選擇聯(lián)機(jī)，將試驗(yàn)機(jī)的橫梁調(diào)整到與三點(diǎn)彎曲底座距離合適的位置。將各個(gè)力學(xué)性能數(shù)據(jù)顯示清零之后，進(jìn)行相應(yīng)的試樣錄入和方案設(shè)定。方案設(shè)定為初始試驗(yàn)力20N，橫梁控制設(shè)置為初始試驗(yàn)速度5mm/min，選擇下空間壓縮，停車后不返回；加載方式中，控制方式為位移，試驗(yàn)速度10mm/min，結(jié)束方式為斷裂百分比，結(jié)束條件為10%。
試件在進(jìn)行試驗(yàn)之前，采用直徑為0.5mm，硬度為HB或2H的鉛芯斷裂源作為模擬聲發(fā)射源，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行斷鉛校準(zhǔn)。檢查實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境，排除影響試驗(yàn)的各種噪聲。確認(rèn)一切正常后，按照試驗(yàn)的方案設(shè)定，點(diǎn)擊P-Main軟件上的試驗(yàn)開始，同時(shí)點(diǎn)擊AE win軟件上的采集選項(xiàng)，采集并記錄聲發(fā)射數(shù)據(jù)。
2.2試驗(yàn)結(jié)果分析與討論
1) 10mm/min加載速度試驗(yàn)力一位移圖分析（見圖2）
由圖2復(fù)合材料的試驗(yàn)力一時(shí)間曲線圖可以看出：在10mm/min的加載速度下，彎曲試驗(yàn)曲線中開始階段試驗(yàn)力平穩(wěn)上升至1986N，但是在240s左右處出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，試驗(yàn)力急劇下降至900N，之后又緩慢上升，但曲線的斜率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及之前的0～240s這一段。這是由于在相對高速的加載條件下，復(fù)合材料中間的一端的界面出現(xiàn)分層和互相滑移，出現(xiàn)了單端的斷裂。隨著加載的繼續(xù)，另一端的纖維也開始出現(xiàn)斷裂，此時(shí)完全失去承載能力，試件失效，如圖5所示。
2) 10mm/min加載速度試件聲發(fā)射特性分析
由于本次試驗(yàn)的加載速度相對較大，復(fù)合材料在試驗(yàn)過程中的損傷情況比較復(fù)雜，結(jié)合圖3和圖4，將該試件的試驗(yàn)過程分為六個(gè)階段：
第一階段(0～70s)，這一階段位移量相對較小，各項(xiàng)參數(shù)均處在一個(gè)較小的數(shù)值，且變化不大。聲發(fā)射事件的幅值少數(shù)分布在50～70dB，絕大多數(shù)處在50dB以下，持續(xù)時(shí)間都小于1000us，信號的能量也非常小。該階段也出現(xiàn)了少量的60dB以上的聲發(fā)射事件，可能是材料制作加工過程中，不可避免的有部分內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，在外力的作用下，內(nèi)應(yīng)力受到破壞，從而釋放出一定的能量，呈現(xiàn)為較大幅值的聲發(fā)射信號。
第二階段(70—85s)，該階段的聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)在累積量和瞬時(shí)量都有所增長，但幅度相對較小，幅值主要分布在60～80dB，持續(xù)時(shí)間有所上升，主要分布在1000～2000 u s之間，能量有顯著的增大。這一階段的損傷形式主要是由第一階段形成的裂紋得到進(jìn)一步發(fā)展，從而形成基體開裂。
第三階段(85～95s)，玻璃纖維在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)了纖維的損傷，由于纖維的承載能力要大于基體的承載能力，因此在這個(gè)階段產(chǎn)生明顯的彎曲變化。聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)在累積率和瞬時(shí)率都有顯著增大，且幅度相對較大，幅值主要分布在70～80dB，同時(shí)也出現(xiàn)了一些80dB以上的信號，甚至在90dB以上也有少量出現(xiàn)。持續(xù)時(shí)間和能量都在增大，持續(xù)時(shí)間大于3000 u s，有點(diǎn)高達(dá)8000us左右。這說明經(jīng)過該階段的彎曲變形，基體開裂加劇，部分裂紋發(fā)失穩(wěn)，出現(xiàn)基體和纖維界面的脫開現(xiàn)象，由于基體表現(xiàn)為脆性材料，在纖維斷裂前已完全開裂。該階段具體表現(xiàn)為玻璃纖維試件的界面損傷。
第四階段(95—100s)，這一階段復(fù)合材料的承載能力急劇下降，伴隨著大量的纖維斷裂和界面分離。此時(shí)累積計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率均增加到最大值，聲發(fā)射信號幅值更有達(dá)到10OdB的，持續(xù)時(shí)間處在10000us，能量也達(dá)到最大值50000 u s。在試件的中間端的一端出現(xiàn)大量纖維被壓斷裂的現(xiàn)象。如圖5中(a)圖所示。
第五階段(100～120s)，在這一時(shí)間段內(nèi)，各項(xiàng)參數(shù)全部為零。這是由于試件中間的一端發(fā)生斷裂，釋放了大量的應(yīng)力，另一端得到相應(yīng)的緩沖，所以沒有任何數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。
第六階段（120s～試驗(yàn)結(jié)束），該時(shí)間段內(nèi)，有少量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，但是信號的強(qiáng)度均不如之前信號強(qiáng)度高，這是由于在之前的環(huán)節(jié)中，沒有發(fā)生纖維斷裂的一端也經(jīng)歷了基體開裂和界面損傷這兩個(gè)過程。隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，試件的另一端也開始發(fā)生纖維斷裂現(xiàn)象，如圖5中的(b)圖所示。
3結(jié)論
1)以聲發(fā)射檢測儀和萬能試驗(yàn)機(jī)搭建試驗(yàn)平臺，根據(jù)GB/T 1449-2005，對車載氣瓶用玻璃纖維試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，成功地采集到試件損傷不同階段的聲發(fā)射信號，達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康摹?
2)由三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到玻璃纖維復(fù)合材料試件在加載彎曲變形的過程中，其損傷形式主要包括基體開裂、界面損傷、纖維斷裂等三大類，其中界面損傷階段比較復(fù)雜，包含著一定數(shù)量的纖維抽拔、基體材料與纖維層的脫粘以及材料層與層之間產(chǎn)生的分離等。聲發(fā)射信號的各項(xiàng)參數(shù)表現(xiàn)為：在初期，聲發(fā)射事件信號的計(jì)數(shù)率、計(jì)數(shù)總數(shù)、幅值、持續(xù)時(shí)間和能量均較低，信號強(qiáng)度與外加載荷成正比，在纖維斷裂失效時(shí)達(dá)到最大。
3)通過玻璃纖維三點(diǎn)彎曲聲發(fā)射試驗(yàn)得到試件的損傷聲發(fā)射信號對于車載氣瓶用玻璃纖維的整體質(zhì)量評價(jià)和安全監(jiān)測具有重要的參考意義。
