带有槽缺陷游乐设施用Q235圆管构件弯曲破坏声发射特性

张洪波 王聪 孙阳

摘要：为研究带有槽缺陷游乐设施用Q235圆管构件破坏时声发射特性，利用声发射技术监测其三点弯曲破坏过程。通过对载荷时间曲线与声发射相对能量、幅度、振铃计数特征参数历程图的综合分析，可将其破坏过程划分为3个阶段。该过程声发射信号幅值主要集中在4070dB之间，且随缺陷长度增加，超过70dB信号振铃计数明显增多，典型阶段特征参数峰值增大。相对能量持续时间历程图中高持续时间、低能量信号来自于加载过程中的噪声干扰。声发射特征参数将缺陷微小变化对构件整体性能的影响量化，历程图变化与力学行为一一对应，建立声发射特征信号与弯曲力学性能和缺陷长度的联系，为声发射监测游乐设施损伤的判定提供依据。

关键词：声发射监测;Q235圆管;三点弯曲

中图分类号：TH142.1 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）05-0038-05

收稿日期：2017-04-15;收到修改稿日期：2017-05-16

基金项目：河北大学大学生创业训练计划项目（2016166）

作者简介：张洪波（1977-），男，河北唐山市人，副教授，主要从事特种设备无损检测研究。

0 引言

近年来我国游乐设施行业进入快速发展阶段，然而对游乐设施的检测技术仍依赖于常规无损检测手段[1-2]。作为常见载人设备的一种，游乐设施正向大型化、高速化、新奇化发展，发生危险干系重大，这就决定了对其构件进行安全性能评价时不应局限于对静态指标的检测[3]。声发射技术是一种探测设备整体活性缺陷演变状态的新型无损检测技术，能够通过记录声发射信号特征参数对在役设备进行实时、整体、连续监测，从而深入、全面地了解构件的损伤破坏过程，实现对设备的早期故障诊断[4-6]。

目前国内尚无游乐设施声发射检测技术方面的具体标准，仅有部分单位和学者做过相关尝试。李良[7]将声发射技术理论应用于大型游乐设施（摩天轮），对其关键部位（如主轴）出现裂纹时进行在线监测，为其安全评定提供依据。声发射技术被应用于材料破坏过程的动态监测，阳能军等[$]通过研究30CrMnSi三点弯曲过程中的声发射累计振铃计数进一步分析其损伤演化过程。张忠政等[9]研究了错金属拉伸过程中的声发射参数和频率特性，并以此表征了错金属拉伸过程不同阶段的损伤状况。谢志龙等[10]利用声发射参数变化探求不同取样方向钢板试件的特征差异。Sahoo等[11]利用声发射计数在拉伸屈服点附近出现最大值来表征不同退火温度对304不锈钢试件的影响。声发射信号的分析与处理方面也暂无统一标准，参数分析、人工神经网络、小波分析等方法均可用于不同条件下不同信号的识别与分离，具有一定准确性[12-13]。

本文主要利用声发射技术监测带有不同长度槽缺陷的游乐设施用Q235圆管构件三点弯曲过程，通过分析载荷、相对能量、振铃计数等参数与时间的相互关联，总结声发射特征信号与弯曲力学性能和缺陷长度的关系，为声发射监测游乐设施损伤的判定提供依据。

1 试验部分

1.1 试样制备

试验材料选用游乐设施用长400mm，外径87.2mm，壁厚3.6mm的Q235有焊缝管状构件，并预设横向槽缺陷。槽缺陷深度和宽度为0_5mm，长度分别为3，4，6，10，15mm。横向槽缺陷长度与管状试件长度方向一致，且垂直于管件受力方向。管件焊缝置于加载最下方，与三点弯曲夹具下端两支点相接触。横向槽缺陷距离焊缝弧长为90mm。缺陷位置与传感器布置如图1所示，其中夹具两支点距离为160mm，传感器线性布置且使其关于缺陷两侧对称，间距280mm。

1.2 试验过程

管状试件三点弯曲试验在CMT5305型微机控制电子万能试验机上进行，加载速度为2mm/min，预加载最大压力为10kN，卸载压力至1kN，保载20s后继续加载，设定加载最大位移为34mm时停止。同时用Vallen AMSY-5型全数字全波形8通道声发射仪监测弯曲破坏过程。其中，传感器频带宽度为100450kHz，中心频率150kHz，内置门槛值40dB，采样频率为2.50MHz。

2 试验结果分析

声发射事件的强度能够通过声发射特征参数（相对能量、幅度和振铃计数）反映，声发射特征参数与时间历程图中数据变化趋势可以有效描述管状构件三点弯曲时缺陷的损伤演化过程。

2.1 加载力学性能和声发射相对能量历程图分析

带有不同长度槽缺陷管状构件载荷和相对能量随时间变化如图2所示。

依据其变化可以将试件弯曲过程分为微裂纹形成阶段、裂纹稳定扩展阶段和失稳扩展阶段3个部分。

1）微裂紋形成阶段。随着加载过程进行，载荷增速逐渐放缓，声发射信号相对能量出现小幅增高后降落。这是由于载荷不断增长促使材料内部晶格间发生滑移，而槽缺陷处应力集中严重导致缺陷尖端塑性区增大较快，微裂纹在此高应力区最先萌生，之后不断闭合、张开。但是微裂纹形成时释放应变能较低，所以此阶段声发射相对能量历程图仅显示小幅波动，不过随缺陷长度由3mm到15mm，此阶段能量峰值由2007.49eu增大至4289.95eu。

2）裂纹稳定扩展阶段。裂纹扩展行为随加载过程间断进行，尖端塑性区累积能量释放后实现宏观裂纹的稳定扩展，此时塑性区释放能量高于微裂纹形成阶段，并且随着缺陷长度的增加，此阶段相对能量峰值明显增大，相对能量历程图中显示出大幅度增涨。但是，随着缺陷长度增加，受到裂纹尖端钝化现象的影响，特征参数历程图中显示的增涨波动幅度逐渐平缓。

3）失稳扩展阶段。该阶段相对能量保持短时间较高值后迅速降落，意味着裂纹逐渐扩展至临界长度后开始失稳扩展，材料发生严重变形。此时伴随大量应变能释放。

2.2 其他声发射特征参数历程图分析

加载试件声发射参数振铃计数—时间、幅度—时间、振铃计数—幅度历程图如图3所示，相对能量—持续时间历程图如图4所示。

由图3中振铃计数—时间、幅度—时间历程图可看出，图示参数在试验过程中整体变化趋势与相对能量历程图中所示相似。微裂纹形成阶段幅值较低、振铃计数较少，仅有小幅度增涨出现。而裂纹扩展阶段参数数值迅速攀升，使之成为特征参数高数值集中区域。之后，参数历程有略微降落趋势，但随着载荷不断增加，试件进入失稳扩展阶段，信号振铃计数与幅度再次升高。

在振铃计数—幅度历程图中可得出两者呈现正相关关系，且清晰显示信号幅值主要集中在40～70dB。随着缺陷长度增加，超过70dB信号振铃计数大幅增涨。结合幅度—时间历程图可知超过70dB高幅值信号主要来自裂纹扩展阶段，且随缺陷增长高幅值信号占比增大。

图4中声发射参数相对能量与持续时间大致呈正相关关系，但在图像后期出现类花束状分散显示。分析可知，高持续时间、低能量值信号来自试验过程中的噪声干扰，包括摩擦、夹具与试件的磨合等。所以可利用该历程图检验降噪措施有效性。

3 结束语

1）试验采集到的声发射信号有效记录了Q235圆管构件三点弯曲过程中的特征信息，实时反映了材料变形过程。

2）通过载荷、声发射相对能量、幅度和振铃计数与时间关系对不同长度槽缺陷的材料变形进行分析，参数历程图变化与试件破坏的典型力学特征一一对应，并将破坏过程分为微裂纹形成、裂纹稳定扩展和失稳扩展3个阶段，利用声发射特征参数历程图形象、直观描述了弯曲破坏的力学过程。

3）随着缺陷长度的增加，裂纹稳定扩展阶段特征参数峰值明显增大且显示波动幅度逐渐变小。声发射特征参数将缺陷微小改变对构件整体性能的影响量化，为活性缺陷的判断和评价提供依据。

4）声发射振铃计数与幅度，相对能量与持续时间呈正相关关系。加载过程中信号幅值主要集中在4070dB之间，且随缺陷长度增加，超过70dB信号振铃计数明显增多。相对能量与持续时间历程图中高持续时间、低能量值信号主要来自试验过程中的噪声干扰，包括摩擦、夹具与试件的磨合等。

参考文献

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（编辑：商丹丹）