一种基于HHT的玻璃纤维复合材料弯压损伤评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于HHT的玻璃纤维复合材料弯压损伤评价方法，采用希尔伯特‑黄变换(HHT)方法处理声发射检测信号，应用处理后的时频分析图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纤维复合材料弯曲加载损伤过程中所产生声发射信号；然后分别进行HHT处理，得出时频分析图，分析不同阶段声发射信号时频特征，并建立它们之间的对应关系；最后根据时频图对玻璃纤维复合材料损伤进行损伤阶段分析和定量评价，从而实现玻璃纤维复合材料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。

A Method of Evaluating Bending Damage of Glass Fiber Composites Based on HHT

【技术实现步骤摘要】
一种基于HHT的玻璃纤维复合材料弯压损伤评价方法
本专利技术涉及声发射无损检测范围的一种对材料结构健康监测的表征方法
，特别是涉及一种基于HHT的玻璃纤维复合材料弯压损伤评价方法。
技术介绍
玻璃纤维复合材料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。玻璃纤维复合材料的质地较轻，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。玻璃纤维复合材料内部结构不均匀，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，玻璃纤维复合材料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纤维复合材料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。声发射现像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纤维复合材料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。在实际的工程测量中获得的常是非平稳信号，如地震信号，轴承振动信号、声发射信号等。传统的处理方法是将所处理的信号当做为平稳或分段平稳信号，再用傅里叶变换、小波等方法进行处理，传统的信号处理方法的基础都是傅里叶变换。其适用范围严格来讲是缓变信号。但对于工程实际中出现的非线性、非平稳信号来说传统的方法已经不能满足需求了。HHT的基础不是傅里叶变换，所以摆脱了傅里叶变换的条件束缚，引入了瞬时频率的概念，适合处理非线性、非平稳信号。另一方面，傅里叶变换为基础的传统时频变换处理方法受测不准原理的束缚，即窗口的时间与频率的乘积为一个不小于1/2的数。这就意味着提高时间或频率分辨率的同时就必将降低另外一个参数的分辨率，而HHT却不受测不准原理的束缚。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，从而获得玻璃纤维复合材料损伤全寿命定量评价方法，实现对玻璃纤维复合材料健康状况实时评价。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于HHT的玻璃纤维复合材料弯压损伤评价方法，通过希尔伯特-黄变换处理声发射信号并计算出时频分析图，根据时频特征与不同损伤阶段的对应关系，反映玻璃纤维复合材料的所处的力学阶段，以及定量评价材料的损伤情况。本专利技术采用如下技术方案：一种基于HHT的玻璃纤维复合材料弯压损伤评价方法，玻璃纤维复合材料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，由于玻璃纤维复合材料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，采用希尔伯特-黄变换(HHT)方法处理不同损伤阶段采集到的声发射信号，并计算出时频分析图，与各损伤阶段建立对应关系，最后根据时频特征对玻璃纤维复合材料损伤进行损伤阶段分析和定量评价，达到监测玻璃纤维复合材料健康状况的目的，实现对玻璃纤维复合材料损伤生全寿命定量评价，方法步骤如下：步骤一：制备玻璃纤维复合材料力学测试试块，试块按照[0°/90°]铺层方式，尺寸为290mm×30mm×11mm；步骤二：弯压应力加载及声发射监测信号提取，将步骤一制备的玻璃纤维复合材料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。同时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，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；步骤三：根据监测全过程的弯压加载位移变化曲线，发现整个损伤过程可以分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、失效阶段和断裂阶段，由于弹性阶段没有明显声发射信号，因此采用希尔伯特-黄变换(HHT)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，计算出相应时频分析图，并进行对比分析，发现在屈服阶段的信号时频特征为主要能量集中在低频段，且能量相对较弱；在失效阶段的信号时频特征为能量覆盖到更高的频率段，且能量相对更强；在断裂阶段，由于声发射信号持续出现，分布范围更广，各频率段都有高能量信号，具有多个失效阶段信号叠加的时频特征。步骤四：根据上述时频特征，建立时频图与损伤阶段间的对应关系，并应用于玻璃纤维复合材料损伤全过程评价中，可通过声发射信号时频特征评价出玻璃纤维复合材料的不同损伤阶段，实现对玻璃纤维复合材料损伤全过程的定量评价。与现有技术相比，本专利技术具有的优点：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纤维复合材料，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，利用经过希尔伯特-黄变换处理声发射信号，并计算出时频分析图，可以清晰地区分玻璃纤维复合材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于HHT的玻璃纤维复合材料弯压损伤评价方法，其特征在于，玻璃纤维复合材料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，由于玻璃纤维复合材料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，采用希尔伯特‑黄变换(HHT)方法处理不同损伤阶段采集到的声发射信号，并计算出时频分析图，与各损伤阶段建立对应关系，最后根据时频特征对玻璃纤维复合材料损伤进行损伤阶段分析和定量评价，达到监测玻璃纤维复合材料健康状况的目的，实现对玻璃纤维复合材料损伤生全寿命定量评价，方法步骤如下：步骤一：制备玻璃纤维复合材料力学测试试块，试块按照[0°/90°]铺层方式，尺寸为290mm×30mm×11mm；步骤二：弯压应力加载及声发射监测信号提取，将步骤一制备的玻璃纤维复合材料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，同时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，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；步骤三：根据监测全过程的弯压加载位移变化曲线，发现整个损伤过程可以分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、失效阶段和断裂阶段，由于弹性阶段没有明显声发射信号，因此采用希尔伯特‑黄变换(HHT)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，计算出相应时频分析图，并进行对比分析，发现在屈服阶段的信号时频特征为主要能量集中在低频段，且能量相对较弱；在失效阶段的信号时频特征为能量覆盖到更高的频率段，且能量相对更强；在断裂阶段，由于声发射信号持续出现，分布范围更广，各频率段都有高能量信号，具有多个失效阶段信号叠加的时频特征。步骤四：根据上述时频特征，建立时频图与损伤阶段间的对应关系，并应用于玻璃纤维复合材料损伤全过程评价中，可通过声发射信号时频特征评价出玻璃纤维复合材料的不同损伤阶段，实现对玻璃纤维复合材料损伤全过程的定量评价。...

【技术特征摘要】
1.一种基于HHT的玻璃纤维复合材料弯压损伤评价方法，其特征在于，玻璃纤维复合材料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，由于玻璃纤维复合材料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，采用希尔伯特-黄变换(HHT)方法处理不同损伤阶段采集到的声发射信号，并计算出时频分析图，与各损伤阶段建立对应关系，最后根据时频特征对玻璃纤维复合材料损伤进行损伤阶段分析和定量评价，达到监测玻璃纤维复合材料健康状况的目的，实现对玻璃纤维复合材料损伤生全寿命定量评价，方法步骤如下：步骤一：制备玻璃纤维复合材料力学测试试块，试块按照[0°/90°]铺层方式，尺寸为290mm×30mm×11mm；步骤二：弯压应力加载及声发射监测信号提取，将步骤一制备的玻璃纤维复合材料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，同时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...

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