摘要
木材作为绿色、天然可再生的高分子复合材料，在工程领域中存在着广泛的应用。然而，木材在实际加工与应用中，不可避免的会产生结构损伤，在加工阶段如果损伤不被识别，在后续使用过程中会发生木材断裂，从而失去原有的力学性能，还可能产生安全事故。因此，对木材进行结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）就显得尤为重要，并且近年来也成为诸多学者研究的热点问题。声发射（Acoustic Emission, AE）检测技术是在不破坏检测对象的前提下，对被检测对象进行实时动态监测，从而实现对材料结构健康状况的评价。AE技术能监测材料内部应力的变化状态，记录损伤变化的情况，从而反映出材料危险程度最高的缺陷特征。这为监测木材损伤提供了一种极为有效的方法，能够对木材的损伤程度进行辨识，并对其做出客观评价。 本文以较为常见的木材作为研究对象，如阔叶树材榉木、梧桐和榆木，针叶树材樟子松、柏木和杉木，利用 NI采集卡和 Lab VIEW搭建的采集系统获取原始 AE信号，通过相关性和到达时间差（Time Difference of Arrival, TDOA）等方法对 AE信号进行分析处理，最后将所得AE参数表征木材的结构损伤程度，从而实现对木材结构损伤的表征与评价。 （1）为了探究木材表面裂纹尺寸与分布对AE横波传播特性的影响，通过锯切的方式在表面制作 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。研究结果表明，在无裂纹试件中，AE 横波的平均传播速度为 824.4 m/s。而仅改变裂纹深度时，随着裂纹数量的增加其速度分别从 1216.5 m/s、1171.1 m/s、1220.8 m/s 减小到 913.8 m/s、820.6 m/s、885.2 m/s。无裂纹试件能量衰减速率|K|为 2.98，随着裂纹尺寸的增加，衰减速率呈现减小趋势，裂纹尺寸与分布不影响其能量衰减规律，且改变能量初始值亦不影响衰减规律，其AE横波速度和能量变化均能反映裂纹的存在。 （2）为了研究AE纵波在存在裂纹的木材上沿顺纹理方向的传播特性，在试件表面人为制作不同尺寸、数量的裂纹。基于TDOA算法计算AE纵波的传播速度，并利用交流电原理探究AE纵波能量的衰减情况。研究结果表明，无裂纹试件下的AE纵波传播速度为4838.7 m/s，存在裂纹时纵波速度将发生一定程度的减小，其变化的相对误差不超过9%；与无裂纹试件中1.29的能量衰减速率相比，随着裂纹截面积的增加，衰减速率逐渐增加至2.08。 （3）利用三点弯曲试验探究木材损伤断裂过程中应变能释放与裂纹萌生扩展的关系，采用AE信号的信息熵和关联维数，确定应变能的集中释放时刻以及裂纹的扩展特征。对木材损伤所产生的 AE 信号进行滤波处理，阈值设定为 46 dB，并以2秒为间隔计算AE事件信息熵，将熵值明显低于平均信息熵的点视为应变能集中释放时刻。并采用G-P算法计算AE信号的关联维数，利用最小二乘法线性拟合确定关联维数D 值，依据 D 值变化趋势将木材损伤过程划分为微观损伤、主裂纹孕育、宏观断裂产生、宏观裂纹扩展4个阶段。研究结果表明，加载前期损伤以微裂纹的萌生以及沿原有裂隙的扩展为主，随着持续加载，r值上升后突然降低并保持低值阶段为主裂纹孕育阶段，可将 D 值降到最低点作为破裂前兆特征识别信息点。 （4）针对木材在重复荷载下的Kaiser 效应问题，采用Felicity 比辨识高低载荷状态，并通过AE信号关联维数表征不同载荷下Kaiser 点的分形特征。试验过程中将载荷间隔设定为300 N，参考美国增强塑料声发射检测委员会（CARP）准则定义“明显”AE 信号并计算Felicity 比，依此标定Kaiser 和Felicity 效应所对应的载荷阶段。利用G-P 算法计算Kaiser 点处AE信号的关联维数D，作为不同阶段Kaiser 点的辨识指标。结果表明，通过Felicity 比能明显区分高低载荷状态，并且在Kaiser 与Felicity 效应两个阶段的Kaiser 点AE信号的关联维数D存在显著差异。Kaiser 效应阶段内，D值变化范围为0.8346~1.4895，而过渡到Felicity效应阶段后，D值变化范围增大到1.7038~3.6602。
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