[发明专利]一种基于声发射信号的PBX损伤演化CT原位分析方法

摘要

一种基于声发射信号的PBX损伤演化CT原位分析方法，首先搭建CT原位加载及损伤检测实验系统，该系统由单轴原位加载系统、CT扫描系统及声发射监测系统组成；同时实施力学加载和声发射信号的采集，根据声发射信号特征确定CT扫描载荷节点，进行不同加载阶段CT图像采集；提取CT图像中裂纹形态，并进行三维可视化和定量分析；结合材料加载曲线、声发射信号特征、不同加载阶段CT图像裂纹三维特征，定量描述PBX材料受载过程中的损伤演化；本发明方法结合声发射技术可在线监测的特点，利用CT原位观测的方法可以实现对加载过程中PBX材料损伤演化的定量描述，具有准确捕捉裂纹萌生起始点、损伤演化过程可视化的优点，易实现、易操作、效率高，可广泛用于PBX材料损伤演化的分析中。

主权项

1.一种基于声发射信号的PBX损伤演化CT原位分析方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：搭建CT原位加载及损伤检测实验系统，该系统主要包括三部分：包括由射线源(5)、载物台(4)和探测器(6)组成的CT扫描系统，由声发射传感器(7)、信号放大器(8)、声发射仪(9)和计算机(10)依次连接组成的声发射监测系统以及单轴原位加载系统；搭建方法为：在PBX试件(2)表面涂抹凡士林作为耦合剂与声发射传感器(7)连接，声发射传感器(7)输出端通过信号放大器(8)与声发射仪(9)连接；在PBX试件(2)端部及单轴原位加载系统的上压板(1)和下压板(3)上涂抹硅脂进行润滑，减小上压板(1)和下压板(3)对PBX试件(2)的端部约束，将PBX试件(2)放置在下压板(3)中心位置并使上压板(1)与PBX试件(2)完全接触，将单轴原位加载系统固定于CT扫描系统的载物台(4)上；步骤2：基于声发射信号的PBX试件单轴加载CT图像采集，具体步骤如下：1)通过断铅试验确定声发射监测参数值，包括采样频率、放大器增益、检测门槛、峰值鉴别时间PDT、波击鉴别时间HDT和波击锁闭时间HLT；2)设置CT扫描系统扫描参数，包括扫描电压、扫描电流、放大倍数、曝光时间和扫描帧数；3)开启射线源(5)对PBX试件(2)进行第一次扫描，记录PBX试件(2)的初始状态；4)同时运行声发射监测系统和单轴原位加载系统，同步实施声发射信号的采集和对PBX试件(2)的加载；以声发射信号持续时间作为声发射基本参数监测PBX试件(2)的加载过程，当首次监测到声发射信号持续时间大于0时，停止加载并进行载荷保持，进行第二次CT扫描，扫描过程中声发射监测系统保持采集状态；5)第二次CT扫描结束后继续进行加载，当再次监测到声发射信号持续时间大于0时，停止加载并进行载荷保持，进行第三次CT扫描，如此重复加载及扫描过程，直到试件发生破坏，进行最后一次CT扫描；步骤3：基于CT图像处理的损伤可视化及定量分析，具体步骤如下：1)PBX试件(2)的CT扫描图像中灰度值最高的区域为炸药颗粒，灰度值较低的区域为高聚物粘结剂，灰度值最低的区域为裂纹，根据CT扫描图像特点，在MATLAB环境下进行CT扫描图像的预处理；首先利用“imadjust”函数对CT扫描图像进行灰度变换；然后利用“imtophat”函数和“imbothat”函数对灰度变换后的图像分别进行高帽变换和低帽变换；其次利用高帽变换后的图像与低帽变换后的图像相减，进行图像的增强；最后利用最大类间方差法对增强后的图像进行局部阈值分割，提取出裂纹的二维图像；2)将步骤1)中提取出来的裂纹的二维图像进行三维堆叠，得到裂纹三维图像，即裂纹在空间上的三维形态；3)根据步骤2)获得的裂纹三维图像获取裂纹三维特征参数，包括裂纹最大宽度、裂纹面面积、裂纹体积、裂纹各向异性度、裂纹三维计盒维数；4)利用体视学的方法对步骤2)中获得的裂纹三维图像进行定量的分析：首先定义一个球形的分析区域，用一系列不同方向上的射线穿过该分析区域，得到每个方向上的平均截断长度；使各个方向上的直线穿过当前分析区域坐标系的原点，每个方向上线段的长度在数值上等于该方向上的平均截断长度，得到平均截断长度在三维空间上的分布；用一个三维椭球拟合平均截断长度在空间上的分布，椭球的方程写作其中：x1,x2,x3为椭球面上一点在当前分析区域坐标系中的三个坐标分量，A,B,C,D,E,F为椭球方程的系数；将椭球方程的系数写作一个表征材料各向异性的矩阵M：计算矩阵M的特征值和特征向量，矩阵M的特征向量表示椭球三个主轴的方向，即与当前分析区域定义坐标主轴的夹角；矩阵M的特征值表示每个主轴方向平均截断长度的相对大小；用矩阵M的最大特征值和最小特征值定义表征材料各项异性程度的标量参数DA：DA从0到1变化来表示裂纹分布的各向异性程度，DA值越大，裂纹空间分布的各向异性越大；5)计算步骤3)中裂纹三维计盒维数：首先读入三维裂纹图像，存为三维矩阵Q，构成样本空间；用一系列边长为ε的正方体盒子覆盖裂纹所在空间，计算覆盖裂纹所在空间需要的盒子数N；对log(N)和log(1/ε)进行线性拟合，所得直线的斜率即为该裂纹三维空间的计盒维数；计盒维数值越大，说明裂纹的三维空间分布越复杂；步骤4：建立声发射信号特征和裂纹三维特征参数之间的关系，定量描述材料受载过程中的损伤演化，具体步骤如下：1)以声发射事件累计数作为声发射特征参数分析PBX试件(2)加载过程中的声发射信号特征，根据时间上的同步关系，以PBX试件(2)所受载荷为横坐标，声发射事件累计数为纵坐标，绘制声发射事件累计数与PBX试件(2)所受载荷的关系图；2)对应于步骤1)中得到的关系图，将CT扫描图像与CT扫描载荷节点对应，得到不同加载阶段对应的声发射事件累计数及CT扫描图像中裂纹三维特征参数；对应声发射事件累计数与CT扫描图像中裂纹的裂纹最大宽度、裂纹面面积、裂纹体积、裂纹各向异性度及裂纹三维计盒维数，定量描述PBX试件(2)在加载过程中声发射事件累积数及裂纹三维特征参数的变化过程。