基于超聲導(dǎo)波的鋼梁結(jié)構(gòu)損傷大小識別研究

孫 凱，孟 光，葉 林，李富才

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240;2.悉尼大學(xué) 宇航機(jī)械與機(jī)電工程學(xué)院智能材料與結(jié)構(gòu)實驗室，新南威爾士 2006)

超聲檢測方法是五種傳統(tǒng)常規(guī)檢測技術(shù)中使用最多的一種，它具有檢測對象范圍廣、檢測深度大、靈敏度高等特點。但是這種方法在檢測結(jié)構(gòu)特別是大型結(jié)構(gòu)時非常耗時，超聲探頭需要掃描到結(jié)構(gòu)表面的每一點。而近些年迅速發(fā)展的超聲彈性導(dǎo)波檢測技術(shù)已成為一種很好的替代技術(shù)，因為超聲導(dǎo)波能夠在一點激勵，并傳播一個相當(dāng)長的距離，這樣可以在極短時間內(nèi)實現(xiàn)大距離范圍的檢測［1]。由于導(dǎo)波能在結(jié)構(gòu)的整個厚度方向產(chǎn)生應(yīng)力，意味著導(dǎo)波不但能檢測結(jié)構(gòu)表面缺陷，還可以檢測內(nèi)部損傷［2]。

對于損傷的識別一般包括兩個方面:損傷的位置識別以及嚴(yán)重程度判斷。損傷的位置一般是通過計算導(dǎo)波飛行時間(Time-of-Flight，ToF)和波速來確定。如本研究的前一階段工作研究了利用導(dǎo)波方法對厚梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測的可行性，并在算例中使用飛行時間對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行了定位［3];在文獻(xiàn)［4] 中建立了PZT壓電晶片陣列，基于相控陣原理對板中的損傷進(jìn)行了定位。在損傷類型確定的情況下，損傷的嚴(yán)重程度主要指損傷大小。損傷大小的變化將影響導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)中的傳播，反之通過波形信號可以判斷損傷的大小信息。在文獻(xiàn)［2，5－7] 中，通過導(dǎo)波透射系數(shù)(透過損傷后波形幅值與無損傷情況幅值的比值)或者損傷反射系數(shù)來比較不同損傷深度或者厚度的波形信號，可以對損傷大小進(jìn)行判斷。與之類似，文獻(xiàn)［8，9] 比較了不同切槽損傷深度下能量的反射/透射系數(shù)，將其作為損傷大小識別的信號特征。文獻(xiàn)［10] 利用A0模式Lamb波在板中切槽損傷兩邊兩次反射之間的時間差來判斷切槽損傷的厚度大小。文獻(xiàn)［11] 結(jié)合遺傳算法與lamb波散射模型來識別結(jié)構(gòu)中損傷的位置與程度。

本文重點研究損傷大小與導(dǎo)波信號的關(guān)系:根據(jù)不同損傷深度、厚度工況來研究損傷大小對傳感器信號到達(dá)時間(Arrival time)和波包幅值(Wave packet amplitude)的影響，從而提取有效的信號特征，為損傷大小識別奠定基礎(chǔ)。

1 試件與傳感器布置

本研究的對象為厚度為30 mm的Q235鋼梁，長800 mm，截面尺寸30 mm×30 mm。這個設(shè)計長度可以保證透射信號中S0和A0波包剛好能夠分開(圖5(b))。如圖1所示在鋼梁的一端布置PZT激振器和PZT反射傳感器(采集損傷反射信號)，在另一端也布置一個PZT透射傳感器(采集的是透過損傷的透射信號)。傳感器布置在兩端理論上可以在整個梁長的范圍進(jìn)行監(jiān)測。這里 PZT激振器和傳感器采用的是 PI公司PIC151材料的壓電陶瓷晶片，尺寸為20 mm×5 mm×1 mm。

在梁的中間位置引入了垂直于軸向的切槽型損傷，這種損傷可以作為梁中最常見的疲勞裂紋的一種簡化。圖示三維穿透型切槽損傷(一個維度尺寸是固定的)大小包括兩個方面:損傷深度和損傷厚度。

圖1 粘有PZT傳感器的試件及3D損傷示意圖Fig.1 The specimens with PZT transducers and the sketh of the 3D notch damage

2 有限元仿真模型及驗證

2.1 有限元模型建立

彈性導(dǎo)波的有限元仿真是通過商業(yè)有限元軟件Abaqus/Explicit實現(xiàn)的，該軟件通過顯式直接積分的方法來求解動態(tài)響應(yīng)問題，特別適合計算應(yīng)力波傳播模型［12]。整個模型包含了720 000個C3D8R線性六面體單元，單元大小為Δx=1 mm，能很容易地滿足精度要求［13]:

時間步長設(shè)為0.1μs——小于最快的波(Q235鋼中縱波速度約為6 020 m/s)在相鄰兩個節(jié)點間(單元長度Δx)傳播的時間。

在梁結(jié)構(gòu)對應(yīng)位置節(jié)點施加集中力來模擬PZT激振器通電時的伸縮效應(yīng)［14](圖2)。本研究中采用的激勵信號是中心頻率為35 kHz、3.5周期的加漢寧窗的正弦信號［15]。在此頻率厚度積下導(dǎo)波信號中主要有兩種基礎(chǔ)對稱模式S0(波速約為5 200 m/s)和反對稱模式A0(波速約為3 200 m/s)。而PZT傳感器的仿真則通過采集對應(yīng)位置節(jié)點的平均應(yīng)力實現(xiàn)。

圖2 PZT激振器模型Fig.2 The FE modeling of PZT actuator

結(jié)構(gòu)的切槽損傷是通過刪除單元來實現(xiàn)的(圖3)，通過該方法能很容易實現(xiàn)損傷深度或者厚度的變化，而不影響總體網(wǎng)格布局、編號等，從而為研究損傷大小變化對信號的影響奠定基礎(chǔ)。

圖3 有限元損傷模型Fig.3 Notch modeling in FEM

2.2 實驗平臺搭建

圖4 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實驗平臺及損傷線切割加工Fig.4 The SHM experiment platform and the wire cut machining of the notch

本實驗平臺包括信號發(fā)生、采集及控制單元，具體包Tektronix AFG3022B任意波形放大器、Krohn-Hite 7 602 M電壓放大器、YE3770濾波器以及 Tektronix DPO3014示波器(圖4)。其中AFG3022B能實現(xiàn)兩路獨立任意波形信號輸出，7602M能實現(xiàn)1 MHz帶寬內(nèi)高達(dá)±200 V的電壓放大輸出，DPO3014可以實現(xiàn)4通道信號的采集(即最多采集4個傳感器信號)。

試件切槽的加工是通過線切割機(jī)(蘇州寶碼DK7732)實現(xiàn)，通過線切割可以實現(xiàn)切槽位置與大小的精確(誤差約0.2 mm)可控加工。

2.3 仿真與實驗結(jié)果對比

圖5、圖6是實驗信號與有限元仿真波形幅值歸一化的對比圖，其中圖5(a)和圖6(a)為反射傳感器信號(導(dǎo)波從開始到反射傳感器的行程大約為1 600 mm)，圖5(b)和圖6(b)為透射傳感器信號(行程大約800 mm)。由于實驗信號在時間點0μs～100μs處有電磁干擾，所以信號對比主要從100μs開始。

對比之前首先要對信號的各個波包進(jìn)行物理解釋，圖5(a)第一個波包為PZT激振器直接傳入反射傳感器的的信號(一般認(rèn)為代表了入射的激勵信號)，后邊大約在350μs、500μs左右出現(xiàn)的波包為導(dǎo)波經(jīng)梁的右邊界反射的S0模式波包和A0模式波包，圖6(a)中大約200μs開始出現(xiàn)的波包為導(dǎo)波遇到損傷后反射的S0和A0模式波包(R－S0和R－A0)。圖5(b)、圖6(b)信號中大約180μs時開始出現(xiàn)的兩個波包分別為S0和A0模式導(dǎo)波(T－S0和T－A0)。由于反射效應(yīng)，不同大小的損傷會對R－S0、R－A0的到達(dá)時間和峰值幅值產(chǎn)生不同的影響;同樣導(dǎo)波在透過損傷時，不同大小損傷同樣也會改變T－S0和T－A0的到達(dá)時間和幅值。而波包到達(dá)時間或者信號幅值等信號特征在后續(xù)處理過程中可以被提取出來判斷損傷的位置、嚴(yán)重程度等信息。

*S0或者A0模式在傳播過程中遇到非對稱(關(guān)于結(jié)構(gòu)厚度中面)型損傷時會產(chǎn)生模式轉(zhuǎn)換(mode conversion)，所以這里R－S0并非嚴(yán)格意義上的反射S0波包。

圖5 無損傷模型有限元仿真結(jié)果與實驗信號的對比Fig.5 Comparion of the FEM results with experiment results for intact model

圖6 9 mm×1 mm損傷模型有限元仿真結(jié)果與實驗信號的對比Fig.6 Comparion of the FEM results with experiment results for 9 mm×1 mm damage model

圖7 不同損傷深度條件下傳感器信號對比Fig.7 The sensor signals comparison with different notch depth

通過無損傷模型信號以及9 mm×1 mm損傷模型信號對比可以發(fā)現(xiàn)，仿真信號與實驗信號吻合度很好。這充分驗證了結(jié)構(gòu)模型、PZT換能器模型以及損傷模型的合理，因此可以通過數(shù)值仿真結(jié)果來研究損傷大小對導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)中傳播的影響。

3 數(shù)值仿真結(jié)果

3.1 損傷深度對信號的影響

為清晰展現(xiàn)不同深度下傳感器的信號，分別選取了四組工況(圖7):無損傷、30%深度損傷(9 mm)、40%深度損傷(12 mm)以及50%深度損傷(15 mm)。這幾種工況的損傷厚度都是1 mm。為了突出信號之間的區(qū)別，圖8和圖9僅展示了損傷第一次反射的波包R－A0和R－S0以及透射信號的第一個波包T－A0、T－S0。

從損傷反射信號(圖8)來看，R－S0的幅值變化比較明顯而信號到達(dá)時間區(qū)別不大;R－A0的幅值和到達(dá)時間都呈現(xiàn)一定梯度的增大與延遲。

對于透射信號(圖9)來說，T－S0的到達(dá)時間變化不明顯而幅值變化比較大一些;而T－A0的幅值有比較明顯的衰減，同時到達(dá)時間也有較明顯的延遲。

綜合反射信號和透射信號來看，S0波包的到達(dá)時間對于損傷深度并不敏感，而A0波包的到達(dá)時間及幅值對深度有比較明顯的反應(yīng)。

為了更加量化地表征各個信號特征對損傷大小的敏感程度，以各種損傷深度為橫軸、各信號特征量為縱軸做成折線圖(圖10和圖11)。

從圖10、圖11來看，反射A0波包的到達(dá)時間(RA0－AT)和透射A0波包的幅值(T－A0－Amp)對于損傷深度的變化幅度最大。

3.2 損傷厚度對信號的影響

固定切槽損傷的深度在9 mm(30%深度)，選取無損傷、1 mm厚度、5 mm厚度、9 mm厚度四種情況作為對比展示，損傷反射波包以及透射第一個波包的結(jié)果見圖12和圖13。

從結(jié)果來看R－S0變化不明顯;而R－A0的到達(dá)時間呈現(xiàn)階梯型延遲。同時隨深度增加，R－A0的幅值呈減小趨勢，這點與深度變化的影響正好相反。

透射信號表明損傷寬度的變化對透射波包無論是S0還是A0都影響很小。

根據(jù)圖14和圖15的折線圖可以發(fā)現(xiàn)損傷反射A0波包的到達(dá)時間(R－A0－AT)和損傷反射A0波包的幅值(R－A0－Amp)受損傷厚度影響相對較大;透射信號受損傷厚度的影響很小。

4 結(jié)論

本研究在厚度為30 mm、長800 mm的鋼梁上布置了激振器、反射傳感器和透射傳感器;通過有限元仿真得到不同損傷深度和厚度情況下的傳感器信號，實驗結(jié)果驗證了有限元仿真的有效性。通過提取不同信號特征并與損傷情況對比，得出以下結(jié)論:

(1)在判斷切槽損傷大小方面，信號波包的到達(dá)時間以及信號波包的幅值是兩個有效的信號特征。

(2)損傷反射信號波包和透射信號第一個波包對于損傷深度變化比較敏感;而透射信號對于損傷厚度的變化不敏感。

(3)從仿真和實驗結(jié)果來看，A0對于損傷大小變化更為明顯，這可能來自兩個原因:A0在35 kHz頻率(低頻)下波包幅值大;A0速度比S0速度小，所以到達(dá)時間的延遲會表現(xiàn)更為明顯。在這種情況下，應(yīng)盡量通過基礎(chǔ)反對稱模式A0波包的變化(信號到達(dá)時間以及波包幅值)來判斷損傷的大小。這個結(jié)論對于厚度較大的結(jié)構(gòu)有實際的參考意義。

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