苏州某新材料公司生产的纤维增强复合材料，主要用于液化石油储蓄罐的制造。由于该玻璃纤维复合材料作为气瓶的缠绕层，在气瓶结构的设计和数值模拟上，需要对气瓶内部缺陷情况进行动态监测和评估，这就需要我们通过无损检测来了解气瓶的内部情况，从而定位玻璃纤维可能存在的损伤源。

目前气瓶的无损检测方法主要有三种，分别为目视检测法、射线检测法、超声检测法，这其中目视检测法只能对缠绕层和内胆的表面进行外观检查，而射线和超声检测法只能对纤维层内部及与内胆粘接层进行检测。想要判定气瓶缺陷是来自纤维断裂、基体开裂还是内胆破裂？就需要我们选择一种更合理的无损方法来检测。

一、需求背景

想要定位玻璃纤维复合材料的损伤源，国内外在复合材料模态声发射的方面做了一些研究，在对大量数据进行分类或聚类分析后，显然国际标准ISO 18249：2015 《无损检测 - 声发射测试 - 纤维增强聚合物测试的具体方法和一般评估标准》更适合本次案例的检测。我们可以通过测试模仿带有冲击损伤气瓶在使用过程中随损伤积累声发射信号变化情况，来了解去内部缺陷的成因。在与该公司沟通以后，我们最终决定用声发射法来检测。

二、试验对象制备

我们选择一个用该玻璃纤维作为缠绕层的液化石油气瓶来制备试验对象。该气瓶充装系数为 0.42，该气瓶充装质量为 7.56 Kg，公称工作压力2.1 MPa，直径约290 mm，长度约440 mm，公称容积18 L。然后将气瓶充入等质量水，从 1.2m 处垂直落向冲头，在瓶体筒体段以及封头部位形成冲击损伤。带有冲击损伤气瓶如图所示，沿冲头刀刃部位形成一条冲击损伤，长度约 10 cm。

三、测试用声发射设备

试验需要的声发射仪器，包括硬件系统和软件系统，可以实时显示出声发射信号的波形和参数数据列表及各种类型的图表，用同轴电缆信号线将传感器和声发射检测仪连接，用数据线将电脑和声发射检测仪进行连接，在通常情况下可能需要声发射检测仪的地线接地。

打开电脑和声发射检测仪，检查各个通道运行是否正常。然后，测定实验环境的噪声，根据背景噪声水平，设置实验参数。实验中声发射仪器的数据采集参数为保证数据采集的一致性，在实验之前进行的环境噪声测试的结果可知，在实验中设置门槛值40dB，可以滤掉一部分环境的噪音，确保实验中数据采集的真实有效。

四、探头布置

声发射传感器布置图和探头安装图如下

1#通道对应 VS45 探头，2#通道对应 VS900 探头， 3#～10#通道分别对应 VS150 探头，1#、2#探头布置在缺陷两侧，3#～5#布置在筒体上 半部分，6#～8#布置在筒体下半部分，形成三角定位区，其中 3#～4#探头布置在缺陷两侧，9#探头布置在瓶口附近，10#探头布置在瓶底。探头固定使用弹性橡胶带捆绑，同时使用透明胶带固定。

五、压力循环试验

本次测试，模拟带有冲击损伤气瓶在使用工况下，即随着压力循环增加，损伤随之累积，声发射信号发生相应变化情况，该气瓶使用压力为2.1 MPa，因此按照0.2～2.1 MPa进行压力循环试验，模拟使用工况。加载设备为10 MPa的疲劳试验机，由于试验设备误差以及仪表漂移，实际试验压力为0.2～2.2 MPa。上限压力、下限压力的保压时间是约2.5S，升压、降压时间1.5S，压力循环速率约7.5 次/分，试验介质为46#液压油。

每隔一定循环次数，在1.1倍工作压力下进行信号采集，利用试验管路，升压设备采用手动泵升压，0.2升高至2.4 MPa约2.0 min，保压10分钟，泄压约2.0 min。每隔一定循环次数进行信号采集，整个加压、试验程序如下

六、试验步骤

首先布置传感器，将传感器布置在缠绕气瓶的筒体和瓶底及充装处，采用高真空硅脂耦合，用胶带固定传感器。然后连接声发射仪器：将传感器、前置放大器、声发射仪及电脑连接好，笔芯折断模拟声发射源，在各传感器附近断铅测试其幅度响应。为了保证试验数据的可靠性和重复性，在开始试验之前，按照GB/T 18182 要求，采用φ0.3mm，硬度为2HB 的铅芯，铅芯伸长2.5mm，与缠绕气瓶表面形成30°夹角进行折断，将折断的铅笔芯信号作为模拟源、这里我们要注意在仪器未开始之前需要测试背景噪声，然后根据测试的背景噪声设置仪器参数。启动疲劳仪器放入压力循环为7.5 次数/分。

试验结果：试验前至压力循环29000次之前，气瓶外观无可见变化。压力循环29000次，气瓶冲 击损伤部位，可见轻微损伤。压力循环31500次，气瓶冲击损伤部位，损伤部位明显。 压力循环34000次，气瓶冲击损伤部位损伤严重，内胆明显变形。压力循环34800次，气瓶冲击损伤部位，损伤严重发生泄漏。

七、数据分析

我们根据试验过程中气瓶损伤情况，以及声发射信号特征，选取压力循环1500次、7000 次、19000次、23000次、27000次、31500次、34000次的声发射数据进行分析。

在初始阶段(0-1500次循环)，由于气瓶内的冲击损伤，应力分布不均匀，气瓶复合材料产生应力集中在冲击损伤部位，在应力集中部位承受高应力的纤维在受压时可能断裂，这是声发射累积撞击计数和信号能量较高的原因。

在第二阶段(1500-15000次循环),前一阶段释放的局部高应力和新的损伤尚未引发或传播到一定程度，因此，气瓶处于稳定状态，声发射累积撞击数越来越少，高能量信号很少。

在第三阶段(17000–25000次循环)，声发射累积撞击数增加，并再次捕获到高能量信号。这是一个逐渐积累损伤的过程。1500次循环后声发射信号的撞击数几乎与23000次循环后的数目相同。声发射检测中存在高能量的声发射信号。声发射检测结果表明，在两种情况下，纤维复合材料有一定的损伤。一种是冲击损伤，另一种是循环试验累积损伤。

在四个阶段(26000–31500次循环)，声发射累积撞击数增长率的曲线斜率更陡。收集了更多的高能量信号。损伤严重加剧，在此阶段，气瓶的使用非常危险。34000次循环后，产生了更多的声发射信号，在保压阶段，收集了较高的能量，压力逐渐降低，表明气瓶失效，纤维大范围断裂。