基于声发射技术的氧化锆陶瓷形变过程特性研究.pdf

摘要

氧化锆陶瓷在牙科医学、航空航天、零件制造等领域有广泛应用，在使用中常因

各种原因造成材料内部结构的损伤并伴随产生较多的微小裂纹，这些微小裂纹的不断

扩展使得材料的结构遭到破坏。实际应用中并不希望材料发生不可预知的损伤，材料

损伤导致的裂纹扩展具有随机性给材料的状态监测带来了困难，因此如何监测材料状

态一直是相关领域的热门研究方向。氧化锆陶瓷属于脆性材料，裂纹扩展更加随机，

研究其损伤形变过程具有显著的实际意义。本文针对氧化锆陶瓷损伤形变的不同时间

阶段表现出的力学特征做出了相关分析，之后基于声发射技术分析了他各个阶段的特

征差异，用傅里叶变换、广义S变换、EWT模态分解等方法进行研究。最后对其不

同阶段声发射信号的特征分析与提取展开了相应研究，利用随机森林优化的PSO-BP

算法实现了较为有效的氧化锆陶瓷状态识别。实验材料型号选取市场上常见的95型

氧化锆陶瓷和99型氧化铝陶瓷，具体开展的工作如下所示。

(1)利用SAEU2S声发射系统结合上海衡翼HY-0580万能材料试验机搭建实验平

台，通过万能材料试验机恒速对被测物施加外力同时被测物产生形变损伤，利用声发

射系统检测相关特征并以此探讨被测材料形变损伤过程的声发射特征。实验对比了两

种陶瓷材料的力学性能和抗弯强度，利用声发射系统监测陶瓷损伤过程的声发射信号，

得到了整个形变损伤过程的声发射能量特征，依据声发射信号过门槛值数量画出了两

种陶瓷的振铃计数图，并结合其他声发射特征将两种陶瓷的形变损伤过程划分为初始

压密、裂纹扩展、临界失稳、断裂后期四个阶段。在损伤形变声发射实验前后用显微

镜对两种陶瓷的表面微观结构进行了观察，分析实验前后的区别和两种材料微观层面

间的不同。

(2)通过对声发射系统采集到的信号进行时间-频率域分析初步得到氧化锆陶瓷

和氧化铝陶瓷在时频域的信号特征，之后进一步的通过广义S变换分析了阶段声发射

信号的主要频率成分。使用EMD对临界失稳点的声发射信号进行分解，初步了解信

号的模态分布及特征。鉴于EMD分解有模态混叠和计算量大等缺点，本文采用EWT

分解结合峭度和相关系数的评定方法对临界失稳点的主成分和频率信息做出分析。之

后对两种陶瓷的声发射过程作幅值分析，得到了整个过程声发射幅值与应力时间曲线

的相关信息。

(3)为了能够方便有效地识别陶瓷损伤形变的阶段，编写了基于Python语言的图

形化特征处理平台，该平台能从声发射系统的原始声发射信号中提取出期望的特征，

利用图形化操作能方便的显示信号的时频特征、振铃计数、到达时间与幅度等信息。

提取声发射特征后对氧化锆陶瓷的阶段进行识别，使用了BP、PSO-BP、RBF神经网

络，根据结果比较了他们之间的性能。比较了几种特征重要性排序的方法，利用随机

森林优化的特征与PSO-BP相结合的方法提高了识别准确性。最后，证明了声发射技

术在监测氧化锆陶瓷形变损伤方面的有效性，为相关领域研究提供了参考。

关键词：氧化锆陶瓷声发射监测裂纹损伤阶段识别随机森林

Abstract

Zirconiaceramicsarewidelyusedinfieldssuchasdentistry,aerospace,andparts

manufacturing.Duringuse,variousreasonsoftencausedamagetotheinternalstructureof

materials,accompaniedbythegenerationofnumeroussmallcracks.Thecontinuous

expansionofthesesmallcracksleadstothedestructionofthematerialsstructure.In

practicalapplications,itisnotdesirableformaterialstoundergounpredictabledamage.

Therandomnessofcrackpropagationcausedbymaterialdamagemakesi