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木材损伤的声发射模式研究

发布日期:2016-05-05 16:31    浏览次数:

摘要木材声发射信号与其内外部损伤情况存在一定的定量关系依据损伤理论和含有裂纹以及缺陷的木材不同阶段的声发射特征, 分别探讨并建立了受交变载荷和单向静载荷情况下以声发射特征参数表示的木材损伤演变模型分析结果与木材的实际情况相一致, 表明以声发射特征参量建立的木材损伤演变模型对木材的损伤预测具有提前性与敏感性, 而且木材的不均匀性是其提前破坏的主要原因之一。

作为结构用材, 木材木基复合材料越来越广泛地应用于建筑, 室内装饰及车船等方面但是木材的各向异性, 干湿变形, 变色和腐朽等都不可避免地在其内部产生裂纹和缺陷, 造成工程木结构受力后损伤, 直至破坏较早的木结构强度校核方法忽略了微裂纹和缺陷的存在, 由理想尖端裂纹许用应力方程可知,裂纹和缺陷对材料承载能力影响十分明显目前,将声发射技术和损伤力学理论应用于含有裂纹的木材木基复合材料的损伤演变虽有一定的研究, 相对于其它工程结构用材还处于起步阶段一, 对其承载过程损伤演变的精确定量分析, 以及建立相应的损伤演变方程的研究还很少如果对木材木基复合材料损伤情况能够实时地精确检测, 是避免带损伤木结构提前失效破坏的关键, 也是对服役寿命进行预测的理论依据本文以木材声发射特征和损伤理论为基础, 分析探讨了声发射参数与木材损伤参量间的关系, 并初步提出根据木材受载后的声发射特征来评价木材的损伤程度

1 承载木材声发射信号的特征

木材属于多孔介质材料, 由组织构造决定了木材是各向异性的尽管木材的损伤情况要比各向同性材料复杂得多, 但实验表明, 木材在单轴拉伸、压缩, 或是弯曲的情况下, 其破坏过程中都会伴有声发射现象, 而且声发射信号特征参量与应力一应变曲线之间具有较好的相关关系同, 如图所示同时, 木材损伤阶段的划分和破坏形式, 随着承载形式、受力方向以及作用点的不同而不同。

显微观察也发现, 木材声发射过程大致分为个阶段木材受力后, 应力一应变曲线基本上是线性时, 木材处于弹性阶段, 其内部胞壁界面的微裂纹处于临界开裂状态, 对应图中完全弹性区, 相应的累计能量增加较慢随着载荷的增加, 初始裂纹端部逐渐出现微裂区, 但只要载荷不超过某一数值,微裂区就会因载荷不变或卸载而停止扩展, 裂纹的这种扩展是稳定的, 对应图中弹性为主区, 相应的累计能量增加较快当反复循环加载时, 载荷继续增加到某一数值, 裂纹表现出非稳定性扩展, 导致木材破坏, 对应图中塑性为主区, 相应的累计能量急剧增加表明木材在载荷作用下的弹塑性特征的不同阶段能够通过声发射的累计能量充分表现

2 木材损伤的力学表示

大多数损伤力学的早期研究工作都用标量表征材料的损伤按照文献定义, 损伤因子表示材料劣化的状态, Kachanov将其定义为出来D=(A-A)/A    (1)

式中A为理想无损材料承载面积,A为材料损伤后实际承载面积。即承载断面上微缺陷所有面积与初始无损时面积的比值由于木材受载后, 其内部细胞间滑移, 纤维断裂等影响截面面积变化的缺陷通过实验定量测量比较困难, 因此不能直接以式(1)的Kachanov损伤定义表示木材的损伤。

根据Najar损伤理论, 将材料损伤因子定义为材料受载过程不同阶段能量的释放率D=E/E0           (2)

式中, E为材料损伤过程中释放的声发射信号能量;E0为材料完全破坏释放的声发射信号能量。

木材在生长和加工过程中形成的大多数裂纹和缺陷都在纤维方向上, 而木材又在沿纤维方向上抵抗裂纹扩展的阻力最小本文选用落叶松材料, 尺寸为240*20*20mm,沿顺纹方向预制了3种不同损伤程度的试件, 分别为无裂纹, 裂纹长度20mm宽度1mm, 深度3mm, 裂纹长度50mm(宽度1mm,深度3mm)并进行了3点弯曲试验, 测量了落叶松材损伤时的声发射信号, 通过分析发现不同损伤阶段木材所释放出的声发射信号能量不同, 而且外力做功转化为弹性应变能、塑性耗能和损伤扩展能部分, 由此表明木材的损伤过程是一种快速应变能释放的过程可见木材损伤因子按照式定义比较方便。

3 木材损伤的声发射模式研究

通过对承载工程木结构的损伤破坏分析发现,木材损伤情况普遍为受交变载荷的疲劳损伤和单向静载荷损伤两种情况。

3.1 交变载荷时木材疲劳损伤声发射模式

通过研究受交变载荷作用时木材疲劳损伤情况知道, 木材损伤裂纹扩展分为3个阶段, 其中第2阶段与Paris稳定扩展区的特征比较一致, 因此以Paris公式对木材裂纹扩展速率描述如下

式中, A为木材横截面积△A 为单位声发射能量对应的面积增量,C1和m为木材疲劳损伤Paris稳定扩展区应用Paris公式所得常数。图2描述了以声发射能量变化表示的木材损伤因子的损伤变化率与应力强度因子幅度关系从图2可以看出, 随着应力强度因子幅度的增加, 木材声发射能量释放率增加, 即损伤变化率增加, 这与Paris公式中以裂纹长度表示损伤程度的变化率曲线吻合。
3 单向拉伸静载时木材损伤声发射模式
木材声发射特征研究还表明, 木材声发射特征曲线可以对木材损伤各阶段做出实时反应, 木材声发射变化曲线与木材损伤变化过程具有一致性, 并且通过对比发现声发射特征参数曲线相对于є-σ, 曲线对木材内部损伤预测有提前性与敏感性所以对木材损伤进行声发射变化曲线研究比є-σ曲线对材料损伤的描述更加适宜。
损伤是材料不可逆的应变, 与应变能密度的释放速率有关, 因此用应变‘ 表达损伤情况dD=f(є)dє                     (8)
式11描述了应用木材声发射能量变化率定义的木材损伤因子与应变之间的函数关系
图3用声发射能量变化情况表示了木材损伤演变过程,由图3可知木材在承载变形过程中, 声发射事件开始时缓慢出现, 在木材强度极限附近急剧增加, 随后又缓慢增加, 直到木材破坏而且木材
越均匀即a值越大, 声发射信号产生的时间就越靠后, 说明木材的不均匀是材料提前破坏的原因之一关于木材声发射的上述特点由文献」的试验结果所证实, 表明用声发射能量定义的损伤因子能较好地描述木材损伤的演变过程。
 
 
 

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