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应用AE和DIC原位监测含横纹裂纹木构件的裂纹演化规律试验研究

涂郡成 赵东 赵健

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应用AE和DIC原位监测含横纹裂纹木构件的裂纹演化规律试验研究

    作者简介: 涂郡成,博士生。主要研究方向:木材力学性能与无损检测。Email:tutuworking@163.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路 35号北京林业大学工学院.
    通讯作者: 赵东,教授,博士生导师,主要研究方向:工程力学与仿真、农林机械。Email:zhaodong68@bjfu.edu.cn 地址:同上. 
  • 中图分类号: S781.2

Experimental study on in-situ monitoring of the evolution law of cracks in wood components with transverse cracks based on acoustic emission and image correlation

图(5)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-01
  • 录用日期:  2019-09-03
  • 网络出版日期:  2019-10-09

应用AE和DIC原位监测含横纹裂纹木构件的裂纹演化规律试验研究

    通讯作者: 赵东, zhaodong68@bjfu.edu.cn
    作者简介: 涂郡成,博士生。主要研究方向:木材力学性能与无损检测。Email:tutuworking@163.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路 35号北京林业大学工学院
  • 北京林业大学工学院,北京 100083

摘要: 目的含横纹裂纹木构件的缺陷会使其在弯曲载荷下发生横纹断裂,研究含横纹裂纹木构件在载荷作用下微裂纹的萌生和扩展规律,对含横纹裂纹木构件断裂损伤的预判和评估具有重要的意义。方法以杉木为研究对象,基于声发射(AE)技术和数字图像相关法(DIC)对已预制横纹裂纹的木试件三点弯曲损伤过程进行了实时原位监测,采用声发射参数分析法研究了加载过程中微裂纹萌生和失稳扩展的声发射特征,同时结合裂尖区域的应变和位移变化信息分析木试件表面裂纹起裂和扩展的应变特征。结果含预制横纹裂纹木试件的损伤演变过程中的声发射和数字图像测量结果,所反映的微裂纹萌生、扩展规律一致,验证了声发射振铃计数、能量和幅度对裂纹损伤过程的预判。其中声发射振铃计数、能量、幅度可有效预报木试件微裂纹的萌生,木试件表面应变的变化可以有效观测裂纹萌生和扩展区域的演变。结论建立了木材微裂纹萌生、扩展行为与声发射参数和表面应变之间的对应关系,并成功地构建了基于声发射技术和数字图像相关法的原位监测含横纹裂纹木构件裂纹损伤演化的测量和评价体系,试验结果为进一步研究含横纹裂纹木构件裂纹演变行为的损伤机理和原位监测方法提供了参考依据。

English Abstract

  • 大量研究表明木材微裂纹的萌生、扩展是导致木构件断裂失效的主要原因[1-6],微裂纹在交变载荷的作用下,进一步发展为宏观裂纹,而宏观裂纹的存在极大地降低了木构件的可靠性和稳定性,甚至会造成灾难性的事故。由于木材特殊的纤维组织结构特性,Wu[7]早在1967年就提出了木材在承受载荷时可近似看作正交各向异性材料,对于含横纹裂纹木构件在受弯曲载荷作用下的裂纹损伤断裂模式不同于顺纹断裂。木材顺纹起裂时,一旦起裂开始,裂纹会迅速扩展,承载能力快速下降,而含垂直纹理裂纹的木材在承载过程中,裂纹不是一直沿原主裂纹方向扩展,而是中途改沿顺纹理方向扩展[8-9]。因此,对于此类木构件的安全评估和强度设计,如何评价其损伤断裂特性并通过不同的试验方法来预测含横纹裂纹木构件的可靠性,近年来引起了越来越多的关注。

    尽管国内外研究人员已经对木材断裂开展了几十年的研究,但对于原位监测木材裂纹损伤的试验手段有限,已有的研究常采用的监测手段有光学显微镜观察法[5, 10]、图像处理方法[11]以及传统的应变仪、各种位移和力学传感器等,这些技术只能定性地表征木材的微观结构变化和裂纹形态,它们很难提供原位定量应力/应变信息和其他详细的损伤特征来研究含裂纹木构件的损伤界面力学性能。因此,迫切需要开发一种实时可靠的试验方法来原位监测含横纹裂纹木材断裂的微观破坏过程,并直接提供裂纹萌生和扩展状态的评价标准。为实现这一目标,在测试过程中成功监测微裂纹的萌生、扩展以及裂纹尖端完整/局部应变变化非常重要,这有助于理解复杂的失效机理和优化设计。

    众所周知,数字图像相关(DIC)法是通过跟踪样品表面上的一些随机散斑图案来测量应变场,特别适用于连续检测微/纳米级变形[12-13]。声发射(AE)技术作为一种被动的无损监测技术,依赖于在材料经受应变时通过固体材料传播的应力波,通过AE信号参数分析能够简单、快速地获取声发射源特征和材料状态[14-15]。目前,在木材科学领域中,DIC方法已经被应用于测量木材在弯曲过程中弹性模量[16]、拉伸应变[17]、含水率引起的湿应变[18]、木材断裂韧性[19-20]等问题,AE技术被用于研究木材的蠕变破坏[21]、木材损伤定位[22]、木材干燥的声发射过程[23]以及计算木材断裂能[24]等。但是,由于DIC方法只能表征试件表面的损伤过程,而AE技术对木材断裂损伤演化与声发射信号的时空演变特性之间关系的研究[2526]是以定性为主,缺乏对含横纹裂纹木构件在载荷作用下整体损伤情况的定量评估和实时预测。因此,如何将两者的优点有机结合,弥补彼此的不足,是材料科学工程领域研究的热点问题之一。国内外综合应用DIC和AE技术监测岩石[27-28]、复合材料[29-30]损伤演化的相关研究表明:AE技术在监测材料整体的累计损伤方面具有很高的灵敏度,能够在材料表面产生宏观应变之前检测到材料内部的微损伤。可见AE技术能够弥补DIC方法的不足,而DIC方法能够对材料表面的全场变形进行分析,并在宏观上对应变大小分布、应变定位的时间和位置进行评价。

    基于以上原因,本研究工作基于声发射技术和数字图像相关法对含横纹裂纹木试件三点弯曲过程的裂纹演变进行了监测,采用声发射参数分析法分析了木试件内部微裂纹萌生和失稳扩展的声发射特征,同时根据数字图像分析木试件表面裂纹尖端区域的应变场特征,进一步验证声发射参数分析法对含横纹裂纹木构件损伤演变的预判,试验结果为含横纹裂纹木构件在载荷作用下的微裂纹萌生和扩展规律的研究提供了依据。

    • 试验材料为杉木(Cunninghamia lanceolata),气干试件平均含水率约10%,密度为0.365 g/cm3,木材横纹断裂临界断裂韧度的测试方法参照GB/T461—2007《金属材料平面应变断裂韧度试验方法》,采用三点弯曲梁试件,如图1a所示。试件编号为LS10-1、LS10-2、LS10-3,试件尺寸为390 mm(轴向)× 40 mm(弦向)× 20 mm(径向)通直无缺陷的顺纹木梁试件。试件表面采用人工喷涂制作散斑图像,即用白色哑光漆喷涂底面, 再用黑色哑光漆喷涂随机分布的黑色斑点。试件预制裂缝长度a = 4 mm,缝高比a/T = 0.1,缝宽度均为1 mm。制作时先用锋利的钢锯将试件预制3 mm长的裂纹,然后用锋利的薄刀片将裂纹削尖深至4 mm,制成LT型单边切口试件。

      图  1  试验装置

      Figure 1.  Experimental device

    • 试验装置如图1所示,该装置由加载系统、声发射系统和数字图像测量系统构成。加载系统采用电子万能力学试验机(Reger深圳瑞格尔),试验前预加一定载荷,以减小压头与木梁之间的摩擦噪声。试验机加载方式为位移控制加载,加载速率为0.001 m/min,由计算机绘出载荷–加载点位移曲线。声发射监测仪器为DS2型声发射监测系统(北京软岛时代科技),主要包括声发射传感器、前置放大器、声发射数据采集仪和主机。传感器对称布置于梁上端两侧,两个传感器距离D = 200 mm;通道门限设置为20 mV,传感器频率范围50 ~ 400 kHz,多通道同步采集,前置放大器增益为40 dB。采样频率采用2.5 MHz/s,传感器表面与试件表面的声耦合剂采用高真空脂,并用夹具固定于木梁表面;木梁的正面采用自制二维数字图像测量系统采集裂缝尖端图像,CCD相机安装于水平架上,放置在试件正前方250 mm处,CCD相机每隔1 s采集一次图像。启动试验机的同时触发声发射系统和数字图像测量系统,三者同步动态跟踪监测微裂纹的开裂和扩展全过程,当试件出现载荷较快下降后停止加载,同时停止声发射和图像系统。

    • 在同一缝高比(a/T = 0.1)条件下,对含横纹裂纹的木梁进行三点弯曲损伤断裂试验,测出试件的声发射信号参数、裂缝尖端两侧应变值和裂纹尖端应变场信息与加载时间变化之间的关系。由于本次试验采集的声发射参数和表面应变计算结果的数据较多, 试件的破坏过程规律类似,所以本文以试件LS10-2的试验数据为例,从以下两个方面对试验结果进行分析讨论。

    • 本试验参数分析法选取能量、振铃计数、幅度、累积能量、累计振铃计数对含预制横纹裂纹的杉木三点弯曲过程中采集的声发射信号进行了特征分析。图2是声发射主要参数(能量、振铃计数、幅度、累计能量、累计振铃计数)随时间的变化图(图中P为木梁起裂点,Q为木梁韧性断裂点),根据各参数变化突变点和木梁尖端损伤演变过程,可将整个试验时间分为5个阶段:初始压密阶段、弹性变形阶段、起裂点出现阶段、裂纹稳定扩展阶段、失稳断裂阶段。

      图  2  声发射参数历程图

      Figure 2.  Acoustic emission parameter history

      (1)初始压密阶段:大约在0 ~ 50 s的范围内,从图2可以看出声发射信号在试件接触受力后立即产生,木梁上侧中部与压头接触位置会先产生胞壁屈曲等损伤,图2a2b显示该阶段受损位置会产生低幅度的声发射信号(振铃计数 < 120,能量 < 1 028 mV·mS,幅值 < 80 mV),试件还未发生起裂;该阶段的载荷–加载点位移(F-δ)曲线近似为水平直线。

      (2)弹性变形阶段:大约在50 ~ 150 s的范围内,累计振铃计数、累计能量曲线持续缓慢上升,说明木梁内部在原始微损伤形成后,新的损伤在持续的产生,但是计数率较小,释能率低(振铃计数 < 150,能量 < 2 650 mV·mS,幅值 < 500 mV),肉眼无可见裂纹;该阶段的F-δ曲线呈斜直线。

      (3)起裂点出现阶段:大约在150 ~ 200 s的范围内,随着作用力的增加,声发射振铃计数迅速增加,释能率增加,说明此阶段木梁内部损伤开始加剧,当载荷增至P点时,木梁加载点位移δ为2.75 mm,F-δ曲线出现非线性。图3a3b显示振铃计数、幅度都出现了新的高峰值(振铃计数达到310,幅值达到1 359 mV,对应时间190 s,载荷2 080 N)。从图2c可以看出:累计振铃计数和累计能量与时间相关曲线总体变化趋势一致,斜率在190 s处发生改变,出现增大现象,能听到轻微的开裂声,木材在该阶段发生起裂。

      图  3  声发射参数历程图(0 ~ 350 s)

      Figure 3.  Acoustic emission parameter history map during 0 − 350 s

      (4)裂缝稳定扩展阶段:大约在200 ~ 600 s时,裂缝缓慢扩展并逐渐停止,到达300 s时木梁表面出现肉眼可见的宏观裂纹,裂纹上方的韧带区会出现多条顺纹裂缝,并伴有轻微开裂声,此阶段振铃计数、能量、幅度高峰密集出现(500 < 振铃计数峰值 < 1 000,5 000 mV·mS < 能量峰值 < 20 000 mV·mS,2 000 mV < 幅度 < 7 000 mV),累计振铃计数和累计能量曲线持续快速攀升,F-δ之间呈曲线变化规律。

      (5)失稳断裂阶段:在600 ~ 765 s时,微裂纹不断扩展和聚集,当载荷加载到Q点达到最大载荷Fmax时,伴随较大的响声,试件上侧被压溃,下侧纤维持续拉脱断开,载荷呈阶跃式下降,裂纹唇张开位移迅速增大,直至断裂。在这一阶段,由于木梁中的微裂缝在扩展过程不断受到抑制,不断积聚的能量以弹性波的形式向外释放,在断裂时刻能量高峰值和幅度高峰值达到最大(能量峰值 > 20 000 mV·mS,幅度峰值 > 7 000 mV)。

    • 木梁在加载的过程中,表面初始微裂纹物理尺寸较小,凭借肉眼难以发现,直至材料达到其一定载荷后,木梁发生宏观断裂破坏,表观的裂纹才能被察觉。利用试件表面散斑结合DIC算法,可以直观地观察到木材试件上表面开裂的全过程和试件表面应变场的变化。

      以试件LS10-2为例,试件加载至300 s时,木梁表面出现肉眼可见的裂纹,故木梁的起裂应发生在加载时间300 s之前。图3为350 s之前声发射振铃计数、能量、幅度随加载时间的变化图(a、b、c、d、e点分别对应的加载时间为100、150、200、250和300 s)。图4反映了不同加载时间木梁预制裂缝尖端表面应变场(其中图4a ~ e分别对应于图3中标记的a ~ e点,对应载荷大小分别为820、1 550、2 160、2 600和3 050 N),试验结果进一步验证了AE振铃计数、能量、幅度对木梁裂缝尖端损伤演变的预测。

      图  4  木试件表面应变云图

      Figure 4.  Specimen surface strain cloud

      对比图3图4可以看出:加载时间从100 ~ 150 s时(载荷区间为820 ~ 1 550 N),在此过程中试件的表面最大应变为1.4 × 10− 3 ~ 6.5 × 10− 3,应变场分布规律没有显著变化且未出现明显的应力集中区域。随着载荷的增加,加载时间到达200 s(载荷2 160 N)时,可以清晰地观察到试件表面有明显的应变突变区域,应变集中区域的相对应变量大于7.4 × 10− 3;当加载时间到达300 s时,木材试件表面出现可见裂缝,试件表面的最大应变量达到0.06。因为表面开裂,在搜索计算过程中,裂缝上的点作为无效点计算,所以在开裂区域出现无效区域带,此无效区域就是试件开裂的区域。

      为进一步地探究木试件开裂时应变的情况,取图4的A点为例,A点坐标(194,88),绘制A点加载过程中表面应变图像,如图5所示。

      图  5  试件A点位置处木梁表面应变

      Figure 5.  Relative deformation of the surface of the wooden beam at the point A of the test piece

      试件在三点弯曲状态下,A点处的相对变形量可以分为2个阶段:O−B为弹性阶段,试件表面应变呈线性增长;B−C为突变阶段,表面应变与之前相比有显著变化,随着载荷的增加,试件表面开始形成宏观裂缝,拉应变开始陡增。有关研究表明试件表面应变突增伴随着表面出现初裂现象[31],由此可以认为拐点B代表木梁表面出现初始开裂,本次试验拐点位置B的应变量为0.009,即载荷为2 550 N时,A点处己经开始有肉眼看不到的微裂缝。

      为了更好地探究试件表面开裂的应变变化过程,取2 000 N时与2 600 N时计算的应变云图(图5)分析。加载2 000 N时,A点的应变为0.003;加载2 600 N时,A点的应变为0.010。值得注意的是:在加载2 600 N时,可以从云图看出有明显的应变集中区域,此区域正是木梁表面开裂区域,可见DIC技术能够精确地捕捉加载过程中的变形,有效地观测开裂过程。

    • 利用声发射技术、数字图像相关法对含有预制横纹裂纹的木构件的断裂损伤过程进行了试验研究。通过试验,对试件在加载过程中声发射参数(振铃计数、能量、幅度、累计振铃计数、累计能量)的变化规律进行了细致的讨论。分析和总结了试验现象和结果,得出以下结论:

      (1)结合声发射方法和数字图像相关法能综合反映木梁内部损伤演变规律以及木梁表面的位移场和应变场变化规律,二者相结合能够原位监测含横纹裂纹木构件微裂纹的萌生和扩展。

      (2)木材的声发射参数特征和表面应变变化规律所反映的木材微裂纹萌生和扩展规律一致,进一步验证了声发射参数(振铃计数、能量、幅度)对木材裂纹演化状态的预判。

      (3)采用声发射技术和数字图像相关方法在监测含横纹裂纹木构件裂纹演化规律上都具有较好的适用性,利用声发射技术能够更准确地早期评估木构件微裂纹萌生、扩展等内部损伤演化,数字图像相关方法能够直观有效地测量木构件表面的变形分布情况,根据表面应力集中区域的演变提前预测出木材微裂纹萌生的位置和裂纹扩展方式。在实际工程应用可结合实际需求选择合适的损伤监测方法。

参考文献 (31)

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