一种材料失效监测装置及其分类方法与流程

1.本发明属于新材料力学性能测试与表征技术领域，尤其涉及一种材料失效监测装置及其利用该装置的分类方法。


背景技术：

2.颗粒增强金属基复合材料在航空航天、汽车等高端装备领域广泛应用，由于其成分复杂，失效模式较多。现有关于颗粒增强金属基复合材料的失效分析都是基于宏观力学性能以及微观成分与断口分析等，对于颗粒增强金属基复合材料中颗粒如何失效、颗粒与基体界面如何失效等缺乏深刻的认识。其主要原因是缺少有效的实验装置和方法检测颗粒增强金属基复合材料失效过程，特别是对内部颗粒、界面和基体的失效过程进行监测。另外，颗粒增强金属基复合材料失效是一个多模式耦合过程，如何区分不同损伤模式以及何种损伤模式占主导地位都是目前装置和方法难以实现的。这阻碍了深入理解颗粒增强金属基复合材料力学性能，以及影响颗粒增强金属基复合材料服役安全。


技术实现要素：

3.本发明的目的是：
4.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种材料失效监测装置，通过光学与声学相结合，从材料内部测量到表面测量的失效监测装置，并利用该装置所采集的信号开展主成分分析和聚类分析，建立材料不同损伤模式与信号特征参数之间的内在联系，从而达到能够区分不同形式的失效模式以及各种损伤模式所占比例的目的。
5.为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
6.一方面，本发明提供一种材料失效监测装置，包括旋转平台，所述旋转平台的左侧设置有x射线发射仪，右侧设置有x射线探测器；
7.所述旋转平台上设置有用于放置材料试样的加载装置，所述材料试样的表面设置声发射探测器，所述声发射探测器依次与信号放大器、声发射信号分析仪和电脑控制系统相连接；
8.所述x射线探测器与电脑控制系统相连接。
9.优选地，所述材料为多相复合材料。
10.优选地，所述多相复合材料为颗粒增强金属基复合材料。
11.优选地，所述电脑控制系统中的信号分析软件为matlab软件。
12.优选地，所述matlab软件包括x射线成像内部信息分析以及声发射信号时域和频域分析。
13.另一方面，本发明还提供了利用上述材料失效监测装置的分类方法，包括如下步骤：
14.s1通过x射线发射仪对原位加载样品进行三维扫描，得到样品加载前后内部变形与损伤信息，具体包括样品内部孔隙率分布、颗粒分布以及颗粒与界面结合情况；
15.s2利用声发射探测器接收样品受载时的声发射信号，并对声发射信号进行信号分析；
16.s3通过聚类分析结果结合三维内部信息识别颗粒、界面和基体的失效，区分不同形式的失效以及各种损伤模式所占比例。
17.优选地，s2中，信号分析包括对采集的时域信号进行主成分分析，找出影响材料失效模式的对应主成分，并对材料失效相关的主成分进行频域变换，得到不同主成分的频域特征。
18.优选地，频域变换方法包括傅里叶变换、短时傅里叶变换和希尔伯特变换。
19.优选地，s2中，信号分析还包括按照材料常见失效模式类型利用聚类方法对信号的主成分进行聚类分析，得到每种失效模式对应的主成分信号。
20.优选地，按照每种主成分信号所占比例计算得到不同失效模式在当前损伤状态下所占比例。
21.本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：
22.1.本发明提供的材料失效监测装置，通过光学与声学相结合，从材料内部测量到表面测量的失效监测装置，并利用该装置所采集的信号开展主成分分析和聚类分析，建立材料不同损伤模式与信号特征参数之间的内在联系，从而达到能够区分不同形式的失效模式以及各种损伤模式所占比例的目的。
23.2.本发明提供的材料失效监测装置及其分类方法，能够识别颗粒、界面和基体的失效，能够区分不同形式的失效模式以及各种损伤模式所占比例。
附图说明
24.图1为本发明提供的材料失效监测装置的结构示意图；
25.图中：1.x射线发射仪，2.x射线探测器，3.旋转平台，4.加载装置，5.材料试样，6.声发射探测器，7.信号放大器，8.声发射信号分析仪，9.电脑控制系统。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.如图1所示，本发明提供了一种材料失效监测装置，包括旋转平台3，所述旋转平台3的左侧设置有x射线发射仪1，右侧设置有x射线探测器2；
28.所述旋转平台3上设置有用于放置材料试样5的加载装置4，所述材料试样5的表面设置声发射探测器6，所述声发射探测器6依次与信号放大器7、声发射信号分析仪8和电脑控制系统9相连接；
29.所述x射线探测器2与电脑控制系统9相连接。
30.本发明的上述装置中，旋转平台能够实现360
°
旋转，加载装置4可以提供拉伸、压缩、弯曲和疲劳加载，同时可以提供不同加载环境，如高温、低温、湿热和腐蚀等。
31.在本发明中，所述材料为多相复合材料。
32.在本发明中，所述多相复合材料为颗粒增强金属基复合材料。
33.在本发明中，所述电脑控制系统9中的信号分析软件为matlab软件。
34.在本发明中，所述matlab软件包括x射线成像内部信息分析以及声发射信号时域和频域分析。
35.本发明还提供了利用上述材料失效监测装置的分类方法，包括如下步骤：
36.s1通过x射线发射仪对原位加载样品进行三维扫描，得到样品加载前后内部变形与损伤信息，具体包括样品内部孔隙率分布、颗粒分布以及颗粒与界面结合情况；
37.s2利用声发射探测器接收样品受载时的声发射信号，并对声发射信号进行信号分析；
38.s3通过聚类分析结果结合三维内部信息识别颗粒、界面和基体的失效，区分不同形式的失效以及各种损伤模式所占比例。
39.在本发明中，s2中，信号分析包括对采集的时域信号进行主成分分析，找出影响材料失效模式的对应主成分，并对材料失效相关的主成分进行频域变换，得到不同主成分的频域特征。
40.在本发明中，频域变换方法包括傅里叶变换、短时傅里叶变换和希尔伯特变换，该频域变换方法仅仅只是示例性，本领域技术人员还可以选择其他的频域变换方法。
41.在本发明s2中，信号分析还包括按照材料常见失效模式类型利用聚类方法对信号的主成分进行聚类分析，得到每种失效模式对应的主成分信号；其中，聚类方法包括但不限于模糊聚类方法、c均值聚类方法等。
42.在本发明中，按照每种主成分信号所占比例计算得到不同失效模式在当前损伤状态下所占比例；其中，所述比例包括但不限于频域信号能量比例、时频域幅值所占比例等。
43.本发明的使用方法如下：
44.将材料试样5放置于加载装置4上，加载装置4固定于旋转平台3上，在旋转平台3左侧的x射线发射仪1发射x射线，透过材料试样5后成像于x射线探测器2，材料试样5加载过程中发射的超声波信号由固定于试样表面的声发射探测器6接收，经过信号放大器7后到达声发射信号分析仪8，声发射信号分析仪8和x射线探测器2与电脑控制系统9相连接。电脑控制系统9中的图像处理软件将材料试样5的三维图像进行重构，得到材料试样5的三维内部信息，并且可以通过数字体相关方法计算出内部变形。电脑控制系统9中信号分析软件(matlab)可以将声发射信号进行滤波处理，进而进行主成分分析以及模糊聚类，得到不同损伤类型对应的声发射信号特征。
45.数字体图像相关方法可以通过试样变形前后x射线成像内部信息计算内部变形场及应力应变场。
46.信号分析软件为matlab商用软件，所需成分分析以及模糊聚类方法为数学及信号处理领域计算方法。
47.本发明的提供的材料失效监测装置，通过光学与声学相结合，从材料内部测量到表面测量的失效监测装置，并利用该装置所采集的信号开展主成分分析和聚类分析，建立材料不同损伤模式与信号特征参数之间的内在联系，从而达到能够区分不同形式的失效模式以及各种损伤模式所占比例的目的。
48.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何
熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。