量化声发射疲劳裂纹特征在钢结构和焊接

文摘

钢结构的疲劳裂纹扩展特点和焊接连接使用定量分析声发射(AE)技术。这是通过实验研究了三点弯曲测试试样在低循环使用小波包分析恒幅加载。裂纹扩展序列,即起始,裂纹扩展,和骨折,分别是乐队,提取相应的频率特性。获得的结果证明是优于定性AE分析和传统的线弹性断裂力学疲劳裂纹特征在钢结构和焊接。

1。介绍

巴黎和埃尔多安(1]表明,线弹性断裂力学(LEFM)是一个有用的工具,描述疲劳裂纹增长。从那时起,应用断裂力学疲劳问题已成为一个公平的程序。声发射技术是最合适的无损检测(NDT)方法研究在土木工程结构疲劳裂纹增长,因为它可以实时监测其健康(2]。有效的裂缝检测可能会导致早期预警。AE技术可用于连续探测材料内部的微小变形和破坏。换句话说,AE信号采样和分析他们的特征可能导致材料的实时故障行为的理解(3]。

AE参数分析已普遍采用在疲劳裂纹扩展特性。Ohtsu,但4)报道,AE波形形状取决于开裂模式,使裂缝的分类在不同的材料。剪切裂缝一般遵循拉伸的材料方法最终失败。Yoneda你们(5)报告,故障现象可以解释金属评估振幅分布,AE事件数和总AE能量。Aggelis et al。6]讨论其他AE参数的应用程序,如角(RA)价值上升,上升时间(RT)、AE命中率,和持续时间损伤特性的金属。他们意识到随着时间和RT的增加,有一个从抗拉剪破裂模式的转变。Boinet et al。7)相关AE参数上升时间和持续时间与铝腐蚀过程。

良好的AE参数之间的相关性,报道了在疲劳断裂力学原理(8,9]。Grosse et al。10]报道参数AE的利弊分析。他们推测,在实际应用中很难区分一个AE信号从噪声后的信号已经减少到几个参数。

定量技术处理AE信号波形的研究已经应用于各种工程领域损伤评估。快速傅里叶变换(FFT)被用来分解时域序列的基本功能。一个主要的问题在使用FFT变换的结果是集成在连续时间域的结果在整个信号长度(11- - - - - -13]。这个问题导致了时频的进化数据处理方法,如短时傅里叶变换(STFT)。Neild et al。14)提供了一个彻底的审查各种时频技术进行结构振动分析。小波变换是本文的主要兴趣已成功结合AE信号参数分析实时故障过程中,裂纹类型、分化等量化的损失,和AE源的识别位置(15- - - - - -17]。论述了钢结构和焊缝的疲劳裂纹扩展特性使用定量方法。相对应的频率特性带裂纹增长序列,即起始,裂纹扩展,和骨折,被提取并与定性AE分析和LEFM。

2。小波包理论

小波变换,一个当代的技术数据和信号分析,已经发现其杰出的无损检测。小波是数学函数,数据分割到不同的频率成分,然后研究每个组件决议与规模。几种类型的小波可成功地应用于AE Shannon小波分析,Haar小波,Daubechies小波,小波,高斯小波,墨西哥帽小波,Morlet小波,和复杂的b样条小波频率。

一个任意函数的连续小波变换被定义为 在哪里 参数””和““站的规模和转变的基本小波。为每一个量表”“和位置”“时域信号乘以转移和扩展版本的小波函数。

离散小波变换(DWT)的离散时间序列给药 在哪里小波函数和吗缩放和移动版本的吗基于比例系数的值””,转移系数”“小波包变换(WPT)是小波分析的推广提供更丰富的分解过程。WPT可以用来将信号分解成不同的组件在不同时间窗和频率乐队可以视为原始信号的特性。小波包分解的低频分量和高频分量在每一次能带。伽柏函数作为小波分析,因为它提供了一个小窗口的时间以及在频域。

考虑 在频域中,伽柏函数表示为

3所示。实验的细节

3.1。样本设计

收到热轧16 mn钢提供了标准的热机的热处理条件16毫米厚板的形式。标准三点弯曲(SENB)标本从钢铁和对接焊接的连接设计,作为钢桥的一部分代表依照ASTM E647标准。使用的机械性能和化学成分的标本如表所示1和2,分别。标本是取得使用电火花加工(EDM)的初始裂纹长度18毫米。标本使用MTS precracked疲劳试验机在0.5毫米长度的10赫兹的频率。标本的表面机械抛光的研磨和抛光,允许观察裂纹路径。的详细几何标本如图1。

3.2。测试仪器和程序

伺服液压控制的试验机的最大负载能力250 kN用于疲劳试验的环境温度300 K(图2)。正弦交变载荷下的标本进行测试在7.5赫兹的频率。标本进行了不同的高峰负荷(kN 16日和10 kN)负载r比值为0.1。至少有三个标本在其他每个条件下进行测试,以确保实验的规律。一个swa全波形声发射探测器是用来记录生成的AE信号在疲劳试验。

AE信号宽带压电传感器检测到使用2 10千赫至2 MHz的频率范围。凡士林是用于传感器和样品表面之间的接口获得适当的信号。40 db的前置放大器增益是用来捕捉AE信号。有关张开位移计(CTOD)被用来监测结构的疲劳裂纹增长。在任何给定的周期裂纹长度是用算术方法计算使用 在哪里,,,,,,,。

4所示。结果和讨论

4.1。线弹性断裂力学

巴黎和埃尔多安(1]发现疲劳裂纹增长的幂律关系,提出了一个指数4的常数经过一系列的实验。数据3和4显示之间的关系疲劳裂纹增长率()和应力强度因子范围和裂纹长度和数量的周期在不同负载率,分别。

在几乎整个疲劳的生活,他们遵守巴黎法(7钢和焊缝) 在哪里是一个代表裂纹长度,是疲劳的循环次数,应用应力强度因子范围,和是假定为常数为特定的材料。然而,焊缝中的裂纹增长率增加相对于基本金属,这表明裂缝传播更迅速的焊缝由于微观结构的变化。我们意识到从图峰值负载在裂纹扩展率不那么重要。

4.2。声发射在疲劳裂纹扩展

疲劳裂纹的生长特性可以通过研究分析了AE信号的参数生成。图5显示了AE累计计数率之间的关系()和应力强度因子范围对焊接试样在不同的高峰负荷。声发射计数率增加的增加成线性关系在双对数坐标,这是一致的(7)。从LEFM结果相比,峰值负载有影响在焊接试件。此外,更高的AE计数率也比贱金属焊接标本中观察到的标本。此外,山坡上的线焊接在某种程度上高于贱金属标本,标本也表明焊缝产生更多的AE信号在疲劳裂纹扩展。

4.3。小波包分析

疲劳裂纹扩展的特点在三点弯曲测试钢梁和焊缝连接的分类下3阶段:裂纹萌生、裂纹扩展,和失败在不同高峰负荷对应区域,II, III,分别。

数据6(一)和6 (b)显示声发射波在区域1对应于疲劳源启动对焊缝金属和贱金属,分别。波形振幅低,宽脉冲与窄的频率范围内,主要位于80千赫到180千赫。在这个阶段,生成的AE信号的形成裂纹源和塑性变形的产生强烈的AE事件的等级。更高的记录振幅比贱金属由于焊接残余应力的释放。数据7(一)和7 (b)显示相对应的区域2中AE疲劳裂纹扩展。这个阶段的波形与疲劳源高振幅,窄脉冲,广泛的能源规模和主要频率刻度250千赫到350千赫的贱金属和焊接标本250千赫到450千赫。

数据8(一个)和8 (b)显示快速裂纹扩展阶段的声发射波形;AE信号的能量增加,直到试样完全失败,AE波形振幅是高于之前的阶段。AE信号的波形特征表明,这种类型是一个破裂的信号。骨折波形振幅窄脉冲高,广泛的能源规模和主要频率刻度300千赫到400千赫的贱金属和焊接300千赫到600千赫标本。

5。结论

从上面的讨论中,显然,焊接试样的疲劳裂纹增长速度高于贱金属;这是增强了夹杂物的存在和异构焊缝的显微组织。峰值负载疲劳特性的影响被发现微不足道。此外,明确提供的小波变换结果的定量技术对裂纹扩展特征在钢铁和焊接试样。

引用

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