[发明专利]一种基于虚拟裂纹闭合法获取模拟声发射信号的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料的疲劳损伤检测领域，特别涉及一种在承受循环拉伸载荷条件下，获取金属构件的疲劳裂纹扩展模拟声发射信号的方法。

背景技术

目前，研究金属构件疲劳裂纹扩展规律的常用方法就是开展疲劳试验并使用无损检测手段来辅助获取其他参数。但是由于载荷的循环次数较大(少则数十万次，多则数月)的原因，导致金属结构材料的疲劳试验所需时间长、一次试验所需的经费支出高。另外，目前可以使用有限元分析直接求得断裂参数，但是却无法使用设备直接测出循环载荷作用下金属构件材料的断裂力学参数。部分学者在ABAQUS中开发出的疲劳单元可用于预测金属构件的疲劳寿命，并没有涉及裂纹扩展引起的构件表面振动位移的研究(李长安，2008)。

金属构件材料在交替循环拉伸载荷作用下，会逐渐出现累积损伤，这将直接导致材料的力学性能退化。金属构件的疲劳会从微裂纹萌生阶段开始，紧接着产生的众多微裂纹会随着晶界缓慢移动并聚集，微裂纹的堆积和聚合会促进其继续生长。伴随着裂尖区域发生塑性变形，材料进入长时间的稳定裂纹扩展阶段，直至材料疲劳断裂(王呈栋,2011)。如果可以对金属构件的损伤状态做到实时监测，就可以在疲劳裂纹进入失稳断裂阶段之前做出预防处理，从根本上防止作业事故的发生。

金属构件的累积损伤过程中会伴随应变能的释放，其中一部分应变能以弹性波的形式释放而引起构件表面的微弱振动，这种现象被称为声发射(李孟源,2010)。整个过程中的微弱振动可以被声发射传感器捕获而输出声发射信号。这样，声发射信号中蕴含着裂纹的相关信息，可以利用它更好地评价结构的损伤程度，从而根据损伤级别提前预警以预防免灾难性事故发生。

因此，针对目前通过试验获取金属构件疲劳裂纹声发射信号时存在的周期长、试验步骤繁琐和成本高等问题，找到一种快速方便且低成本的方法来获取疲劳裂纹声发射信号就具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于虚拟裂纹闭合法获取模拟声发射信号的方法，以克服通过疲劳声发射检测试验来获取金属构件疲劳裂纹声发射信号的周期长、试验步骤繁琐和成本高的问题；本发明同时避免了不同工作环境温度和冲击载荷的影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于虚拟裂纹闭合法获取模拟声发射信号的方法，包括以下步骤：

(1)建立基于有限元分析的声发射信号幅值表达式：

对声发射传感器输出信号进行拉氏变换后，得声发射传感器输出电压幅值为：

式中：s为声发射传感器与被检测结构接触的面积，单位m²；u(x，y，z)为被检测接触面的位移，单位为m；K为声发射传感器增益；g(x，y)为声发射传感器的表面灵敏度；

声发射传感器的电压输出U₀与其增益K、被检测接触面的位移u(x，y，z)及声发射传感器响应频率f₀之间的关系如下式：

U₀＝Kuf₀ (1-2)

f₀为声发射传感器中心频率；

(2)使用基于虚拟裂纹闭合法的声发射疲劳单元获取金属构件在特定载荷作用下的疲劳裂纹模拟声发射信号。

进一步的，所述声发射疲劳单元，在虚拟裂纹闭合法理论的基础上，利用ABAQUS软件的用户单元子程序功能，开发获得。

进一步的，所述声发射疲劳单元的工作如下：一个载荷步开始，声发射疲劳单元结合虚拟裂纹闭合法计算裂尖单元的能量释放率，然后使用G准则来判断该能量释放率是否满足裂纹扩展条件；如果满足，将与此能量释放率相等效的应力值加载到金属构件模型的裂尖表面，获取金属构件表面的振动位移数据；然后利用公式(1-2)计算模拟声发射信号；同时释放该裂尖单元并向前推移一个单元长度并判断此时的裂纹扩展长度是否达到材料的宽度，若不满足，则进行如下一循环分析步；若满足，则说明材料断裂，整个分析求解过程结束。

进一步的，步骤(1)中u(x，y，z)采用弹性波动理论在有限元分析软件中求解得到。