榉木横纹三点弯曲受压声发射损伤模型研究

为探究木材在横纹受压下脆性断裂的损伤演变过程，依据声发射（acoustic emission,AE）事件构建木材损伤变量本构模型。首先，将木材内部等效为若干根互不相关的受压木纤维，每根横纹受压木纤维又可等效为受压微弹簧。然后基于概率思想，在微弹簧的中性层受力分析基础上，假设横纹受压的微弹簧极限应变服从某一分布函数的随机变量，经过分析得到微弹簧的极限应变服从分布函数和木材横纹受压损伤演化方程，以及累计AE振铃计数-应变曲线和损伤变量之间关系。最后，通过榉木(Zelkova schneideriana)试件三点弯曲AE试验得到归一化累计AE振铃计数-应变曲线，再利用Gaussian曲线拟合出所需参数，进而得到微弹簧的极限应变分布规律和损伤演化方程的表达式，建立三点弯曲受压AE损伤模型。结果表明，累计AE计数与榉木横纹受压的微观损伤过程是对应的，并且结合AE试验数据得出的损伤演化数学模型可以很好地反映榉木横纹受压过程中的损伤演化特征。     

基于使用寿命模型的含裂纹钢制管道剩余寿命计算

为研究带有裂纹损伤管道剩余寿命的计算方法,针对正常使用环境下的钢制管道提出了同时考虑变形和承载力要求的含裂纹管道的使用寿命模型,该模型包括2个阶段,即裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段。对裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段分别采取局部应力应变状态方法和弹塑性断裂力学裂纹扩展理论方法进行分析,推导出管道在2个阶段剩余寿命的计算方法。在此基础上综合考虑环境以及平均应力对裂纹扩展速率的影响,根据安全系数法的原则,讨论了含裂纹钢制管道剩余寿命的计算问题,给出了含裂纹钢制管道剩余寿命的计算公式,为工程实践提供了理论依据。     

铝质陶瓷在热应力下裂纹形成及扩展的声发射表征

本文将声发射技术应用于陶瓷材料研究领域，通过由传感器，前置放大器，滤波器，主放大器，信号形成器，时基计数器组成的声发射检测系统，精确地测定了陶瓷材料在热应力作用下裂纹生长，扩展的动态过程；发现陶瓷材料在冷却过程中声发射计数率的峰值约为加热过程的４００倍，陶瓷材料在热应力下微裂纹的形成，生长主要发生在冷却过程中；当晶粒尺寸减小时，材料的微裂纹扩展，蔓延逐渐被抑制在较小的范围内。     

煤岩单轴压缩破坏过程声发射试验研究

声发射技术是监测岩石、煤、混凝土等材料破坏过程裂纹扩展的重要技术手段。通过煤岩试样的单轴压缩声发射试验,监测分析了煤岩试样变形破坏过程中的破坏前兆信息;试验对比分析了声发射、应变、荷载的相关性,分析了试样内部裂纹的扩展至破坏全过程的声发射信息。为深入认识煤岩冲击破坏灾害提供必要的数据。为进一步将声发射技术应用于预测预报煤岩动力灾害、评估岩石混凝土结构稳定性及研究岩石混凝土等材料的破裂过程发生机理提供理论依据。     

哈弗氏密质骨含单条径向微裂纹问题的奇异积分方程数值解法

研究了在双轴拉伸载荷下哈弗氏密质骨间质骨含单条径向微裂纹的平面应变问题.通过利用奇异积分方程方法,得到了该问题所满足的奇异积分方程组,给出了微裂纹尖端应力强度因子的表达式.数值计算讨论了哈弗氏密质骨的材料和几何参数对微裂纹尖端应力强度因子的影响.数值结果表明软骨单位促进微裂纹扩展,而硬骨单位抑制微裂纹扩展,但这种影响仅局限在骨单位附近.     

弥散型腐蚀管道氢致微裂纹扩展的有限元分析

研究了弥散型缺陷管道氢致微裂纹扩展规律、裂纹扩展速率和裂纹扩展影响因素。利用ANSYS有限元分析软件,模拟了损伤管道微裂纹的扩展过程。结果表明:对于管道的弥散型腐蚀,管道内壁腐蚀最严重,由管道内壁向外腐蚀逐渐减弱。对弥散型腐蚀管道微裂纹扩展的有限元分析,可为腐蚀损伤管道的剩余强度和寿命评价提供技术支持。     

混凝土材料分级加载过程的声发射特征分析

对在役混凝土结构及其构件进行健康监测、损伤诊断及灾害预警具有重大的理论意义和实践价值。为反映声发射能量与混凝土材料破坏过程之间的关系,对在单轴多级循环加载条件下的混凝土试件进行了声发射试验,记录声发射能量的变化规律。试验对象为初始孔隙率为3.3%、6.7%及9.2%的混凝土圆柱试件,分析其加载过程中的声发射能量,得到混凝土试件在弹性压密阶段、损伤稳定积累阶段以及损伤快速积累阶段时声发射能量与荷载曲线的关系,引入活跃系数Act对声发射现象发生的活跃程度进行表述,提出基于声发射能量评价混凝土工作状态的方法。当出现能量峰值出现下降后再次激增,能量均值超过100mV×ms,且活跃系数Act出现在20~70范围内连续放缓的现象时,预示着混凝土材料的破坏。     

基于CT图像的岩石破裂过程裂纹分形特征分析

岩石材料存在不同阶次随机分布的微观孔隙和裂纹,其受载后的宏观断裂失稳和破坏与内部微裂纹的分布以及微裂纹的产生、扩展和贯通有密切关系.通过对岩石CT图像中各点材料进行分析,清晰地看到岩石材料中孔洞及裂纹区域的大小分布随应力的变化过程.利用分形维数对裂纹扩展至破裂过程进行分析,揭示岩石裂纹从萌生、扩展到贯通的细观破损机理....     

混凝土损伤破坏的CT及声发射试验研究

针对混凝土破坏过程损伤定位的技术难题,对混凝土试样进行了单轴压缩CT扫描试验及声发射损伤定位试验,利用分形理论计算了CT图像的分形维数,建立了基于CT图像及声发射损伤点的损伤变量。研究结果表明:随试件的加载进程,混凝土分形维数和损伤变量变化规律一致,可将混凝土分形维数和损伤变量的快速增大作为混凝土失稳破坏的前兆;综合利用混凝土三维重建图像和声发射损伤图,对混凝土裂缝萌生和演化的全过程进行观察和分析,这为分析混凝土的裂缝萌生损伤过程和定位损伤位置提供了一种新方法。     

混凝土劈裂实验及裂纹开展过程的数值模拟

通过混凝土劈裂实验和氯离子渗透实验,得到了微裂隙对氯离子渗透性能影响的相关结论。为验证和解释实验现象,采用有限元数值模拟方法模拟混凝土劈裂及裂纹扩展的全过程,探讨裂纹扩展趋势及其分布规律。数值模拟再现了微裂纹萌生、扩展、贯通直至失稳的全过程,其破坏位置、形式均与实验结果一致,验证了数值模拟的可行性;同时,通过对横向位移、微裂纹扩展以及等效应力分布变化过程的模拟分析,验证并解释了试验中的相关结论。可见,数值模拟方法对混凝土耐久性研究具有一定的指导价值。     

木材裂纹尺寸及分布对声发射横波传播特性的影响研究

为探究木材表面裂纹尺寸与分布对声发射横波(transverse wave component of acoustic emission, AE_TW)传播特性的影响,通过锯切方式制作不同尺寸的裂纹,研究沿木材顺纹理方向传播的声发射横波的传播特性。首先,在试件表面锯切出4条具有相同长度而宽度与深度不同的规则裂纹,分别采用铅芯折断和信号发生器模拟产生突发和连续的AE源,并且通过等间距分布在试件表面的5个传感器采集AE信号,采样频率设置为500 kHz。然后,在铅芯折断试验的基础上,依据驻波成分的基频,对原始AE信号进行高通滤波处理,截止频率设置为7 kHz,再采用相关性分析的方法确定AE_TW在固定距离上的传播时差,进而依据时差定位的原理计算其传播速度。最后,通过信号发生器产生不同电压等级的150 kHz脉冲串作为AE源,研究不同裂纹尺寸下的AE_TW能量随距离的衰减规律。结果表明,在无裂纹试件中,AE_TW的平均传播速度为824.4 m·s^-1。而仅改变裂纹深度时,随着裂纹数量的增加其速...     

古建筑七架梁缺陷安全性影响数值模拟研究

目的七架梁作为大型木结构古建筑的主要承重构件，其承载力安全性直接影响古建筑木结构整体的安全性。由于周围环境和使用长久等原因造成木梁出现不同程度的缺陷，会影响木梁弯曲拉应力和剪切应力的分布，进而影响其承载力安全性。因此，研究不同缺陷类型、尺寸、位置对古建筑七架梁承载力安全性的影响很有必要。方法采用Abaqus有限元软件模拟计算梁上存在的裂纹、腐朽和空洞等不同缺陷时的应力分布状态，通过量化缺陷大小和缺陷位置，对不同残损因素进行单参量数值模拟分析，确定带有缺陷木梁的最大工作应力位置，分析木梁破坏的敏感位置，探究木梁承载力安全性的变化规律。结果不同缺陷类型对七架梁安全性的影响不同，外部腐朽对七架梁承载力的影响最大，空洞缺陷次之，裂纹缺陷的影响相对最小；对于弹性阶段的受弯木梁而言，缺陷位于两下金瓜柱之间的受拉区域时，对七架梁承载力安全性的影响程度最大；不同缺陷大小对七架梁承载力的影响不同，随着木梁开裂深度、腐朽区域深度、空洞缺陷大小的增加，木梁安全性逐步降低。结论局部缺陷的存在会降低七架梁安全性。数值模拟结果可以精确算出木梁最大拉应力值，是定量研究缺陷对七架梁安全性影响和确定七架梁安全性监测位置点的良好方法。      

L型结构木材中声发射信号传播特征

针对木材结构尺寸及介质改变对应变能传播的影响,研究应力波在变结构的L型试件中的声发射（acoustic emission,AE）特性。首先,参照ASTM-E976标准,在樟子松L型试件表面不同位置产生AE源,并利用采样频率为500 kHz的AE采集系统获取试件表面4个固定位置的AE信号。其次,依据小波分析原理对原始AE信号进行降噪并重构AE波形,进而研究木材结构变化对AE信号频域特征的影响。最后,基于对比分析,研究空气介质对于信号传播特性的影响。结果表明,当AE源位于锯材处时,信号以纵波和横波混合的形式单向传播,木材的结构变化主要影响低频信号成分,使得信号呈现高频带分布;而空气介质对于其时频域均有显著影响;当AE源位于薄板时,木材结构变化、传播路径及空气介质对于AE信号时频域特性均有显著影响。     

高能微波处理辐射松木材的抗弯力学性能与损伤演化特征

  目的  探究高能微波处理对木材抗弯弹性模量、抗弯强度和弯曲塑性功的影响,并阐明处理材在静态弯曲载荷过程中的损伤演化与破坏规律。  方法  利用高能微波设备,采用60、80、100 kW·h/m3这3组微波能量密度水平对含水率为50% ~ 70%的辐射松锯材进行处理。在声发射（AE）系统的实时监测下进行三点弯曲抗弯弹性模量、抗弯强度和弯曲塑性功的测试,并且结合试件断裂破坏截面形貌与AE参数特征分析对比处理材与未处理材在不同加载阶段的损伤演化。  结果  未处理材抗弯弹性模量和抗弯强度平均值分别为5 520和61.7 MPa,高能微波处理材的抗弯弹性模量和抗弯强度平均变化率均小于10%。但高能微波处理均显著提高了木材的弯曲塑性功。相较于未处理材,60和100 kW·h/m3处理材的弯曲塑性功分别提高了12%和16%;而80 kW·h/m3处理材的弯曲塑性功最大,相较于未处理材的提高了22%。AE测试结果显示:随着微波能量密度的增加,处理材AE信号首次出现时间不断提前,首个损伤稳定增长阶段的持续时间、塑性变形阶段的累计振铃计数增长速率、幅度和能量活跃度逐渐增加。由此表明,在弯曲载荷作用的过程中,处理材拥有更高的损伤增长速率与应力重组效率,细胞壁产生了更多的屈曲与坍塌破坏,木材内部裂纹迅速扩展,减弱了应力集中效应,因而在一定程度上增加了木材弯曲塑性功。试件破坏形貌验证了AE测试结果,与未处理材相比,处理材的拉伸区域、中性层与压缩区域的断面形貌更加粗糙。  结论  适当的高能微波处理可在仅小幅改变木材抗弯弹性模量、抗弯强度的前提下,显著提高木材弯曲塑性功,将为高能微波处理材的应用提供新思路。研究方法与结果能够有效地展示高能微波处理材的损伤演化特征,并将为木质材料损伤演化的相关研究提供参考。      

基于声发射信号信息熵的木材损伤断裂过程研究

为获得木材在弯曲破坏过程中的声发射（acoustic emission,AE）信号特征,从AE信号的随机性出发,利用AE信号信息熵辨识木材的损伤过程,并研究木材在不同损伤断裂水平下的AE信号分布特性。首先,对气干状态的榉木和樟子松试件进行三点弯曲试验,并通过谐振频率为150 kHz的AE传感器采集原始AE信号,采样频率设置为500 kHz。然后,采用小波变换重构AE信号波形,依据无AE发生时的信号幅值确定AE阈值,统计每秒内超过阈值的次数并作为AE活动计数,再以活动计数为随机变量定义AE信息熵。最后,依据信息熵值确定应变能释放的转折点,并结合三点弯曲试验的载荷-时间曲线,将木材损伤断裂过程划分为线性变形、非线性变形、宏观断裂3个阶段。以10 ms为间隔分析并统计AE信号的频率,获得木材弯曲破坏过程的AE信号频率分布情况,从而揭示不同损伤阶段的AE信号特征。结果表明,线性变形阶段,AE信号表现为低幅值、低频率,主要集中在30~55 kHz频段内;非线性变形和宏观断裂阶段,AE信号中既存在大量的30~55 kHz低频信号成分,又存在100~110 kHz和115~130 kHz的高频信号。研究提出的基于AE活动数信息熵能够准确反映应变能释放的集中程度,为木材损伤断裂水平评价提供了客观依据。     

基于奇异谱和相关性分析的木材声发射源直线定位算法研究

针对木材声发射（acoustic emission,AE）信号的随机特性,提出了一种基于奇异谱和信号相关性分析的木材表面AE源直线定位算法。首先,依据ASTM标准通过折断铅芯的方式分别在樟子松和榉木试件表面产生AE源,并在顺纹理方向布置2个AE传感器,其中采样频率设置为500 kHz。然后,采用奇异谱分析（singular spectrum analysis,SSA）算法提高AE信号的信噪比,再分别基于信号相关性和最大值分析2种方法计算AE信号在木材表面顺纹理方向的传播速度。最后,依据AE信号传播时差和计算速度,基于时差定位原理设计AE源定位算法。并针对SSA处理前后的AE信号,采用不同定位算法进行比较试验。结果表明,直接对原始AE信号采用基于信号相关性和最大值分析方法确定信号传播速度时,樟子松试件2个不同位置AE源的定位误差分别为51.8%、55.7%和75.7%、46.6%;榉木试件2个不同位置AE源的定位误差分别为52.0%、44.8%和37.7%、45.5%。而对于经SSA处理后的AE信号,樟子松试件相应的定位误差分别为5.1%、33.2%和2.6%、31.7%;榉木试件相应的定位误差分别为3.1%、54.9%和5.1%、22.9%。因此,对原始AE信号进行SSA降噪处理后,再基于信号相关性分析方法确定信号传播速度,能够显著提高木材表面AE源的定位精度。     

基于瞬时频率的木材声发射事件辨识与损伤监测

为了从能量的角度客观评价木材损伤程度，依据应变能释放产生的声发射（AE）信号特征，提出一种基于信号瞬时频率的AE事件辨识方法，并依据AE事件的发生密度从能量的角度进行损伤动态监测。采用小波分析的方法对原始信号进行降噪预处理，用经验模态分解（EMD）进行波形重构。依据AE信号的频率分布特征将AE信号分为2类，并对应地定义DAE和FAE 2类AE事件。通过Hilbert变换获得AE信号的瞬时频率，依据瞬时频率计算2种AE事件发生的密度，依此判断和预测木材的应力变化及损伤趋势。结果表明，FAE信号频率明显高于DAE信号频率，并且当DAE事件密度维持较高水平时，意味着材料以弹性形变为主；相反当FAE事件密度维持较高水平时，说明材料正在发生频繁的断裂，从而为木材损伤程度的研判提供评价依据。     

基于声发射技术的木材害虫信号特征检测

针对木材害虫声发射（AE）信号检测问题，研究杨树木段中麻点豹天牛幼虫AE信号波形特征及其信号的能量，为钻蛀害虫声音的监测提出一种新的方法。取一段具有麻点豹天牛幼虫的杨树木段，通过采样频率为500 kHz的2通道木材蠕变声发射信号采集系统采集原始AE信号。对采集到的原始信号滤波后进行小波分解，通过对各层高频信号的分析获取AE信号的频域特征，并对其进行重构与信号解析。结果表明，麻点豹天牛幼虫AE信号的主频主要集中在30 kHz附近，其信号的能量在16:00最高，反映了该幼虫在15:00-16:00较活跃。