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世界林业研究声发射技术在木材加工领域的应用申珂楠赵海龙丁馨曾李明

2017-12-08 点击数:1242

世界林业研究声发射技术在木材加工领域的应用申珂楠赵海龙丁馨曾李明(西南林业大学机械与交通学院,昆明653224)体内部损伤程度并确定损伤位置。声发射技术为木材加工过程应力监测提供了一种主动无损检测模式,但受木材自身各向异性等特点的限制,目前声发射技术在木材工业中的应用尚处于探索阶段。为此,文中重点介绍了目前声发射技术在木材切削加工、木材及木质结构、木材力学性能、木材干燥过程等木材加工过程的应用现状,并在此基础上根据木材声发射信号特点,提出一种基于LabView及高速采集设备的木材干燥过程声发射监测系统设计方案。

  :2014基金项目:国家自然科学基金资助项目(31100424);云南省教育厅科学研究基金(2013018)-mail:kekedear126.com通信作者:李明(1977-),男,江苏省盐城市人,副教授,博士,硕士生导师,研究方向为智能控制,E-mail:swfulmswfu.edu.声发射技术作为一种主动式无损检测技术引起了广泛关注,并已应用于汽车、航空航天、金属加工、桥梁检测与监控、石油化工等领域。声发射技术在木材工业中的研究和应用还不是很广泛,目前主要集中在木材切削加工、木材及木质结构的无损检测、木材力学性能检测、木材干燥过程应力变化检测等方面。

  其中声发射技术应用于木材干燥的研究在国内还比较罕见。木材干燥过程比较复杂,会产生应力、应变,同时伴随声发射现象。通过声发射监测可以客观反映应力应变的变化程度,有利于控制木材的干燥过程。因此,本文在总结介绍声发射技术在木材加工领域应用的基础上,提出一种基于LabView及高速采集设备的木材干燥过程声发射监测系统设计方案。

  1声发射技术简介声发射可以定义为物体或材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波的种物理现象。声发射检测技术是一种主动式无损检测和探伤技术,可以主动接收木材内部产生的信号,木材在受力或者内部断裂时都会产生声发射现象。现代声发射技术开端于20世纪50年代初的德国,Kaiser观察到多种金属在受力或变形过程中会产生声发射现象,并于60年代应用于无损检测领域中。我国对于声发射的研究开始于70年代,并于80年代开始应用于金属容器的检测方面。经过近半个世纪的发展,目前声发射技术已经广泛应用于汽车、航空航天、金属加工、桥梁检测与监控、石油化工等领域。声发射检测系统一般由硬件和软件2部分组成,硬件部分包括声发射传感器、前置放大器、数据采集卡和计算机,软件部分可采用NI公司的LabView可视化编程软件实现。其中声发射信号采集卡是整个声发射系统中的核心硬件,采集卡的采样精度和采样速度决定了系统对声发射信号的获取能力。而声发射传感器是声发射检测系统的重要组成部分,是影响系统整体性能的重要因素。

  声发射源定位是声发射技术应用的关键之一,其中最为典型的定位方法是时差定位法。时差定位法在运算中具有定位准确、分辨率高的特点,是目前工程应用中常用的一种定位方式。为了更准确地定位声源位置和发生时间,F.Ciampa和M.Meo提出了基于连续小波变换和频域分析的方法来定位声源,并取得良好效果,提高了定位精度1.ShukriMohd提出了基于连续小波变换分析和模态定位分析的声发射源定位方法,并对核管道裂纹扩展进行了监测,将检测结果与传统定位方式进行比较得出,利用该方法确定声源位置和声源起止时间更为准确0.in-SeopKim提出一种Wigner-Ville分布(WVD)与色散岩石理论模型相结合的全新声发射源定位方法,该方法不需要测量信号的到达时间,与传统定位方法相比,WVD算法更加接近于真实位置0.由于木材是一种弹塑性体,声发射信号作为弹性波在不同方向上的传播速率不同,并且受传输过程中衰减的影响,信号通常非常微弱。根据声波传播原理,随着传播距离的增加其波前能量逐渐减弱,信号幅度降低,引起声波衰减的因素主要有扩散衰减、散射衰减、吸收衰减等4.因此,声发射信号的采集工作非常困难,但声发射信号能客观地反映材料内部的复杂应力应变,具有很重要的研究意义。

  为了得到真实信号,去除噪声影响,I.BuaNunez利用多通道采集卡采集石油管道中的声发射信号,然后利用虚拟仪器进行数字化去噪,同时利用声学实验平台对信号去噪,保持了良好的去噪效果。木材加工过程中刀具是极其重要的一部分,木材磨损问题作为一种复杂的变化过程,采用常规的监控方式难以实现,因此采用声发射技术对刀具磨损进行在线监控是一种良好的监控方式。

  2.3木材及木质结构无损检测孙建平等采用万能力学试验机结合声发射仪的方式对木材受损过程进行研究,经过多次试验后,对实验结果进行神经网络预测,得出利用结构为6x5x1网络能很好地根据序列的前6个值精确预测出木材即将承受的载荷M.朱红娟对木材损伤信号的区分进行了研究,将试样分为完整、部分缺陷以及缺陷3种,对其进行加载,测定出不同的信号,通过分析发现,完整的试件信号能量小,缺陷越大的试件信号能量越大E7.德国斯图加特大学的对云杉的裂纹扩展进行了研究,在加载过程中收集到大量的声发射信号M.张志研分别对桦木、水曲柳和落叶松3种木材的裂纹类型试样进行了三点弯曲试验,利用声发射仪采集信号,研究得出,裂纹扩展临界应力以及无裂纹试样裂纹产生临界应力相差较大M.木材及木质结构的无损检测可以在不损伤木质材料的条件下实现在线监控木材的加工过程,提早预测构件的疲劳状态并预防破坏。因此,木材无损检测技术有着广泛的研究和应用前景

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