一种基于经验模态分解的玻璃钢弯压应力损伤图谱定量评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于经验模态分解的玻璃钢弯压应力损伤图谱定量评价方法，采用经验模态分解方法处理声发射检测信号，应用处理后的固有模态分量能量图谱定量评价该材料的不同损伤阶段。首先通过弯曲力学加载试验，根据弯压加载位移曲线提取不同阶段玻璃钢弯曲加载损伤过程中所产生声发射信号；然后分别进行EMD处理，计算出分解出来的各固有模态分量能量图谱，分析不同阶段声发射信号图谱特征，并建立它们之间的对应关系；最后根据图谱对玻璃钢损伤进行损伤阶段分析和定量评价，从而实现玻璃钢全寿命的定量评价和损伤预警的目的。这种方法还适用于其他增强纤维复合材料的健康监测，具有重要的实际应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于经验模态分解的玻璃钢弯压应力损伤图谱定量评价方法
本专利技术属于声发射无损检测领域，具体为一种基于经验模态分解的玻璃钢弯压应力损伤图谱定量评价方法。
技术介绍
玻璃钢由玻璃纤维材料和合成树脂材料经一定的工艺复合在一起制成人们需要的材料，相比单一材料，该材料的机械性能得以优化。玻璃纤维材料近几十年得到了高度重视，因其良好的性能特点而被广泛应用，特别在航空航天、船舶等领域。玻璃钢的质地较轻，其密度相比一般碳钢的密度小很多，仅有碳钢的20%-25%，质地轻，有利于安装和运输，其机械强度很高，抗弯曲和拉伸强度可达到甚至超过一些合金钢材料，纤维有增强作用，可以增强材料的强度和刚度，玻璃纤维越细，材料强度越高，此性能经常应用在减轻自量提高性能方面。玻璃钢内部结构不均匀，纤维与树脂相互交错，制造过程中容易出现缺陷，当对材料施加一定载荷是会产生局部的应力集中，使得材料结构不稳定，当应力应变能量集中到一定时候的时候，必将有高能量向低能量转变，这种转变将以各种损伤体现出来。玻璃纤维材料的主要损伤模式有纤维断裂，界面分层，基体开裂等。玻璃纤维材料有很好的抗疲劳性能，不同于金属材料，玻璃钢受到外加载荷后逐渐破坏，材料内部的基体和纤维结构能抑制裂纹扩散伴有自我恢复的现象，同时有分层，分层向下扩展，基体开裂和纤维断裂等现象产生，直到材料完全失效。在现行的无损检测方法中，常用的有射线就检测法，超声检测法，红外热成像等。这些常用的方法，都有其擅长的领域但是都有一定的局限性。其所共有的局限性在于不能对玻璃钢进行实时的在役检测，无法对材料实时的健康状况进行评估。声发射检测法可以实时的反应玻璃纤维材料的健康状况。声发射检测在对服役期间的玻璃纤维材料构件健康评估方面有着广泛的应用前景。声发射现象是一种物体发出的应力波的现象，很多材料在在受到一定载荷而发生形变或者产生裂纹的过程中都会有声发射现象，但是大部分材料发出的应力波是很微弱的，人耳听不到，需要借助灵敏的仪器才能接收到这种应力波。在上世纪50年代,声发射技术引起了广大工程技术人员的注意并开始被研究，德国人JosefKaiser最早对数种金属材料的声发射现象进行了具体的研究了并得出了材料在受力形变的过程中其声发射现象的不可逆效应，称为Kaiser效应，这种效应可以概括为当材料在进行加载时期产生声发射现象，如果想要使得材料再次发生声发射现象的条件就是载荷超过之前发生声发射现象时材料所受到的载荷。直到1976年美国LawrenceLivermore研究所对环氧树脂为基体的玻璃纤维压力容器进行了大量的包括失效分析在内的基础研究。上世纪八九十年代美国和日本人将声发射技术首先应用在玻璃纤维材料的构件上。在国内，对玻璃纤维材料的声发射检测主要集中在声发射信号处理上，大庆石油学院李伟教授通过对缠绕式玻璃钢的拉伸过程的实时在线声发射监测，采用小波法分析了采集到的声发射时域信号。经验模态分解(EMD)是1998年由NordenE.Huang等人首次提出，是一种适合于处理非线性、非平稳信号的方法，它与小波分析相似，但不需要定义基函数，是通过使用三次样条插值，使时间尺度随着数据的局部特征自动调整，逐层获取信号细节信息，由一系列窄带平稳固有模态分量（IMF）及一个残差表征，因此其具有很高的频率分辨率，与其他的方法比较，它是一种无需任何先验知识的自适应时频分析方法。玻璃纤维材料在受力后的损伤过程中的不同阶段会发出大量的声发射信号，这些信号包含了大量的材料的损伤信息。通过对不同损伤阶段的声发射信号进行处理与分析，提取特征信息，可以发现其与材料损伤全过程间的内在联系，从而获得玻璃钢损伤全寿命定量评价方法，实现对玻璃钢健康状况实时评价。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对玻璃钢结构健康状况的监测需要，提出一种基于经验模态分解的玻璃钢弯压应力损伤图谱定量评价方法，通过经验模态分解方法处理声发射信号并计算出固有模态分量能量图谱，根据图谱特征与不同损伤阶段的对应关系，反映玻璃钢的所处的力学阶段，以及定量评价材料的损伤情况。本专利技术的技术方案：一种基于经验模态分解的玻璃钢弯压应力损伤图谱定量评价方法，玻璃钢在受弯压载荷而发生损伤的全过程中，应用声发射检测技术，提取整个过程中所产生的声发射信号；由于玻璃钢主要由树脂和纤维组成，其具有树脂和纤维两种材料的力学特性，其表现为既有树脂的一脆性，又表现为纤维的韧性，其力学曲线与损伤全过程现象复杂；通过采用经验模态分解（EMD）方法处理不同损伤阶段采集到的声发射信号，分析计算出来的固有模态分量能量图谱，并与各损伤阶段建立对应关系，达到依据能量图谱监测玻璃钢健康状况的目的，实现对玻璃钢损伤生全寿命定量评价；其特征在于方法步骤如下：步骤一：制备玻璃钢力学测试试块；步骤二：弯压应力加载及声发射监测信号提取；步骤三：根据监测全过程的弯压加载位移变化曲线，整个损伤过程分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、失效阶段和断裂阶段；步骤四：根据上述图谱特征，建立图谱与损伤阶段间的对应关系，并应用于玻璃钢的损伤全过程评价中，可通过声发射信号图谱特征评价出玻璃钢的不同损伤阶段，实现对玻璃钢损伤全过程的定量评价。进一步的，所述步骤一中的试块按照[0°/90°]铺层方式，尺寸为290mm×30mm×11mm。进一步的，所述步骤二，具体步骤为：（1）将步骤一制备的玻璃钢试块对称安放在弯压加载设备上，其两端支点距离为200mm，即支点距离试块中心均为100mm；（2）在试块上按照中心对称方式布置好一对声发射传感器，传感器间距为120mm，即两个传感器距离试块中心均为60mm；（3）将声发射检测设备准备好后，开始加载，加载速度为1mm/min，声发射检测设备同时开始检测，监测和提取整个加载过程中的声发射信号，直至试块断裂失效，加载设备停止工作。进一步的，所述步骤三具体方法为：弹性阶段没有明显声发射信号，采用经验模态分解（EMD）方法处理在屈服阶段、失效阶段和断裂阶段时采集到的声发射信号，计算出分解出来的各固有模态分量能量图谱，并进行对比分析，发现在屈服阶段的信号图谱，只有单个固有模态分量能量突出达到19，其他固有模态分量能量普遍较低；在失效阶段的信号图谱，能量集中在前几个固有模态分量中，但是能量值差异不明显，而后面几个固有模态分量能量接近0；在断裂阶段，全部固有模态分量能量值都较高，最高达到130，能量分布较平均。本专利技术与现有技术相比具有的特点是：声发射检测技术是一种实时动态检测技术，主要检测对象为各向同性的金属材料（铁、铝、铜等），各个方向的声速比较稳定，声波传播路径简单，研究已经趋于成熟。但是对于内部结构不均匀的各向异性玻璃钢，国内外还未找到该类材料的动态检测与评价方法。本专利技术可以实时监测材料的损伤情况，利用经过经验模态分解处理声发射信号，并计算出各固有模态分量能量图谱，可以清晰地区分玻璃钢在受弯压载荷情况下材料损伤的四个阶段，实现对玻璃钢损伤全过程的定量评价。这种定量评价方法适用于该类增强纤维复合材料的健康监测，在工程检测中具有重要的实际应用价值。附图说明图1为本专利技术玻璃钢试块的尺寸图；图1a为本专利技术的玻璃钢试块主视图，图1b为本专利技术的玻璃钢试块右视图;图2为本专利技术玻璃钢试块力学加载以及传感器分布示意图;图3为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于经验模态分解的玻璃钢弯压应力损伤图谱定量评价方法，玻璃钢在受弯压载荷而发生损伤的全过程中，应用声发射检测技术，提取整个过程中所产生的声发射信号；通过采用经验模态分解方法处理不同损伤阶段采集到的声发射信号，分析计算出来的固有模态分量能量图谱，并与各损伤阶段建立对应关系，实现对玻璃钢损伤生全寿命定量评价；其特征在于方法步骤如下：步骤一：制备玻璃钢力学测试试块；步骤二：弯压应力加载及声发射监测信号提取；步骤三：根据监测全过程的弯压加载位移变化曲线，整个损伤过程分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、失效阶段和断裂阶段；步骤四：根据上述图谱特征，建立图谱与损伤阶段间的对应关系，并应用于玻璃钢的损伤全过程评价中，可通过声发射信号图谱特征评价出玻璃钢的不同损伤阶段，实现对玻璃钢损伤全过程的定量评价。

【技术特征摘要】
1.一种基于经验模态分解的玻璃钢弯压应力损伤图谱定量评价方法，玻璃钢在受弯压载荷而发生损伤的全过程中，应用声发射检测技术，提取整个过程中所产生的声发射信号；通过采用经验模态分解方法处理不同损伤阶段采集到的声发射信号，分析计算出来的固有模态分量能量图谱，并与各损伤阶段建立对应关系，实现对玻璃钢损伤生全寿命定量评价；其特征在于方法步骤如下：步骤一：制备玻璃钢力学测试试块；步骤二：弯压应力加载及声发射监测信号提取；步骤三：根据监测全过程的弯压加载位移变化曲线，整个损伤过程分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、失效阶段和断裂阶段；步骤四：根据上述图谱特征，建立图谱与损伤阶段间的对应关系，并应用于玻璃钢的损伤全过程评价中，可通过声发射信号图谱特征评价出玻璃钢的不同损伤阶段，实现对玻璃钢损伤全过程的定量评价。2.根据权利要求1所述的一种基于经验模态分解的玻璃钢弯压应力损伤图谱定量评价方法，其特征在于：所述步骤一中的试块按照[0°/90°]铺层方式，尺寸为290mm×30mm×11mm。3.根据权利要求1所述的一种基于经验模态分解的玻璃钢弯压应力损伤图谱定量评价方法，其特征在于：所述步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：李秋锋，李昕，齐添添，黄丽霞，龙盛蓉，卢超，陈尧，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西,36