超聲導(dǎo)波在H型鋼結(jié)構(gòu)損傷識別中的應(yīng)用

王國鋒， 王 敏， 劉 陽， 孫 杰， 李富才， 孟 光

(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. 中國船舶重工集團(tuán)公司第704研究所 上海，200031)

超聲導(dǎo)波在H型鋼結(jié)構(gòu)損傷識別中的應(yīng)用

王國鋒1， 王 敏2， 劉 陽1， 孫 杰2， 李富才1， 孟 光1

(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. 中國船舶重工集團(tuán)公司第704研究所 上海，200031)

針對H型鋼在損傷情況下對超聲導(dǎo)波的影響，提出基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，并探討了應(yīng)用超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)在H型鋼中對結(jié)構(gòu)損傷識別的可行性及其識別能力。采用中心頻率為87.5 kHz的波形為漢寧窗調(diào)幅3.5個周期正弦曲線作為激勵波形，應(yīng)用商業(yè)有限元軟件ABAQUS對導(dǎo)波在H型鋼構(gòu)件中的傳播進(jìn)行了仿真，同時對無損傷以及有損傷的仿真模型進(jìn)行實驗驗證。實驗中利用壓電材料鋯鈦酸鋁(piezoelectric lead zirconate titanate，簡稱PZT)換能器來激發(fā)和接收在H型鋼中傳播的導(dǎo)波信號，借助于Morlet小波時頻分析等方法對仿真和實驗采集到的信號進(jìn)行處理，并比較實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的吻合度。最后分析H型鋼中損傷的大小等因素對損傷識別的影響，以及超聲導(dǎo)波在H型鋼中的損傷識別能力。

導(dǎo)波; Morlet小波； 損傷識別； 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

引 言

H型鋼性能良好，廣泛應(yīng)用于建筑、工業(yè)、橋梁及機(jī)械等結(jié)構(gòu)中，在工業(yè)生產(chǎn)、公共設(shè)施及交通等方面發(fā)揮著重要作用，而其結(jié)構(gòu)健康狀況直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全性。H型鋼的服役環(huán)境通常比較惡劣，隨著服役時間的增長，受復(fù)雜工況的影響，不可避免出現(xiàn)損傷。近年來基于超聲導(dǎo)波的無損檢測技術(shù)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面取得很大的發(fā)展，成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域重要的研究方向之一[1]。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)波的飛行時間(time-of-flight，簡稱ToF)和波速來確定[2]。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。孫凱等[3]研究厚梁結(jié)構(gòu)中槽損傷位置、大小和疲勞裂紋等損傷對導(dǎo)波的影響。Alleyne等[4-5]研究板中切口損傷、復(fù)合板中的分層損傷等對Lamb波傳播的影響。Lowe等[6-7]通過實驗與有限元仿真等手段，研究板中裂紋對導(dǎo)波的作用規(guī)律，包括蘭姆波的S0與A0模式等。

筆者重點研究H型鋼損傷位置以及大小與導(dǎo)波信號的關(guān)系，包括導(dǎo)波信號飛行時間和波包幅值等有效的信號特征，分析這些因素對損傷識別的影響，為損傷大小識別奠定基礎(chǔ)。

1 研究對象中導(dǎo)波信號的激發(fā)和接收

本研究對象為H型鋼，其截面尺寸如圖1所示，腹板厚度為8 mm，翼板厚度為10 mm，彈性模量為208 GPa，泊松比為0.28，密度為7 800 kg/m3。研究中對H型鋼構(gòu)件引入穿透性圓孔等損傷，采用Lc符號來表示損傷的真實位置(亦即損傷與傳感器試件端面的距離)。研究中使用了損傷軸線距離相同(Lc=500 mm)、但損傷位置不同的試件，損傷位置分別為腹板的中軸線上的孔損傷、上翼板半側(cè)的中軸線的孔損傷以及上翼板棱邊的切槽損傷。

圖1 H型鋼截面尺寸(單位：mm)Fig.1 The section size of H-shape steel(unit:mm)

目前沒有H型鋼頻散方程解析表達(dá)式，難以直接算出頻散特征曲線。但是H型鋼是由一個等厚度的腹板與兩個等厚度的翼板組成，所以它的導(dǎo)波與板中導(dǎo)波具有一定的關(guān)聯(lián)性，先從板中導(dǎo)波特性出發(fā)，選擇合適的激勵頻率進(jìn)行有限元仿真。

對上述的H型鋼材料，Lamb波的頻散曲線如圖2所示，其中紅色虛線為對稱模式，黑色實線為反對稱模式[8]。

如圖2所示，Lamb波隨著頻厚積fd的增加，各個模式的群速度與相速度最終都收斂，除了A0與S0兩種模式導(dǎo)波波速收斂于瑞利波波速 ，其他高階模式導(dǎo)波波速收斂于橫波波速。

圖2 Lamb波頻散曲線Fig.2 Lamb wave dispersion curves

由于不同模式的傳播速度不一致，當(dāng)激勵出的響應(yīng)波信號模式數(shù)目較多時，傳感器接收的信號含有多個模式成分，不利于損傷的識別和定位，故通常需要減少導(dǎo)波模式。在頻厚積小于1.616 3 MHz·mm時，Lamb波只存在A0與S0兩種頻散的模式。由圖 2可知，在此頻厚積范圍內(nèi)，A0與S0兩種模式導(dǎo)波分別存在一定群速度對頻厚積非常敏感的區(qū)域，其中頻厚積在(0～0.6) MHz·mm之間時A0模式頻散比較嚴(yán)重，而頻厚積在(1.2～1.616 3) MHz·mm之間時S0模式頻散比較嚴(yán)重。檢測信號應(yīng)避開頻散嚴(yán)重區(qū)域范圍。從減少導(dǎo)波模式和降低頻散效應(yīng)影響的角度出發(fā)，應(yīng)選擇激勵頻厚積(0.6～1.2 M)Hz·mm之間。對于8 mm的翼板和10 mm的腹板，選擇如圖3所示的87.5 kHz波形為漢寧窗調(diào)幅的3.5周正弦曲線為激勵信號。

圖3 漢寧窗調(diào)幅正弦波(87.5 kHz，3.5周)Fig.3 Hanning-windowed sinusoid(87.5 kHz,3.5cycle)

2 信號處理方法

鑒于實驗中采集的信號受環(huán)境噪聲的影響，所以需要對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚硪蕴崛⌒盘柕奶卣?。本研究通過低通濾波器處理信號以去除高頻環(huán)境噪聲的影響[9-10]。

筆者采用小波變換處理響應(yīng)波信號以獲得信號的時間-頻率的關(guān)系。小波變換的基本思想是：對信號加窗，窗口大小不變、形狀可變，是一種時間窗和頻率窗都可以改變的時頻分析方法。考慮小波母函數(shù)與激勵信號的相似程度，筆者采用以Morlet小波(見圖4)為母函數(shù)的連續(xù)小波變換對導(dǎo)波信號進(jìn)行處理。

圖4 Morlet小波Fig.4 Morlet wavelet

在小波變換中小波的尺度與頻率有如下的轉(zhuǎn)換關(guān)系

Fa=Fc/SΔT

(1)

其中：Fa為對應(yīng)尺度的假擬頻率;ΔT為采樣周期；Fc為小波的中心頻率；S為尺度。

將經(jīng)小波變換后得到的時間、頻率及相關(guān)系數(shù)繪制成等高線圖，能夠清晰地看出故障損傷的位置。例如損傷在H型鋼的腹板中軸線的信號圖與經(jīng)小波變換后得到的等高線圖，如圖5所示。

圖5 腹板中存在孔損傷的H型鋼Fig.5 Hole-damage in the web of H-shape steel

3 仿真與實驗

本研究采用PZT晶片來激發(fā)和接收在H型鋼構(gòu)件中傳播的相應(yīng)波。PZT晶片具有雙向壓電效應(yīng)，所以可以作為作動器和傳感器。選用尺寸為20 mm×5 mm×1 mm的塊狀PZT。對于作動器位置分別選取如下：a.在腹板端面中間對稱位置的20 mm×5 mm 范圍內(nèi)A1和A2施加相反的激勵信號(以下簡稱腹板反對稱激勵)；b.在腹板端面中間對稱位置的20 mm×5 mm 范圍內(nèi)A1和A2施加一樣的激勵信號(以下簡稱腹板對稱激勵)；c.在腹板端面中間位置的20 mm×5 mm 范圍內(nèi)A1施加激勵信號(以下簡稱腹板單側(cè)激勵)；d.在翼板端面正中間位置的20 mm×5 mm 范圍內(nèi)A4施加激勵信號(以下簡稱翼板中間激勵)；e.在翼板端面一側(cè)A3中間位置的20 mm×5 mm 范圍內(nèi)施加激勵信號(以下簡稱翼板一側(cè)激勵)。激勵信號如圖2所示。對于傳感器的位置分別選取如下：a.在腹板端面中間位置的一側(cè)20 mm×5 mm 范圍內(nèi)S1(以下簡稱腹板接收)；b.在翼板端面一側(cè)中間位置的20 mm×5 mm 范圍內(nèi)S2～S5(以下簡稱翼板一側(cè)接收)。具體的激勵與接收位置如圖6所示。

圖6 作動器與傳感器的位置Fig.6 The location of the actuators and sensors

3.1 仿真算例

在ABAQUS軟件平臺上選用三維實體8節(jié)點縮減積分單位(C3D8R Element)，采用ABAQUS Explicit求解器，進(jìn)行動態(tài)有限元分析，對上述H型鋼導(dǎo)波的傳播特性進(jìn)行仿真，并用刪除單元的方法來模擬損傷的存在。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)。

在對導(dǎo)波傳播進(jìn)行有限元仿真過程中，為了保證模擬相應(yīng)導(dǎo)波波長在傳播過程中的空間迭代產(chǎn)生的誤差較小，減少由于網(wǎng)格劃分引起的誤差，防止計算結(jié)果發(fā)散，對仿真過程的時間和空間分辨率有嚴(yán)格要求，即

Le≤λmin/10

(2)

其中：λmin為最小波長；Le為最大網(wǎng)格尺寸。

此仿真過程中最大的網(wǎng)格尺寸為2.16 mm，而激勵頻率為87.5 kHz時，最小波長約為40 mm，滿足式(2)。

仿真過程中，每增加時間Δt，新進(jìn)入網(wǎng)格的計算區(qū)域應(yīng)大于導(dǎo)波增加的傳播范圍。為了使算法穩(wěn)定，需限定計算的時間步長，其大小需滿足

Δt≤Lmin/cL

(3)

在此仿真中，時間步長為5.0×10-8s，最小網(wǎng)格尺寸為1.91 mm，縱波波速為5 848.0 m/s，滿足要求。

在ABAQUS中通過施加集中力模擬PZT通電后由于逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變，在S1～S5處模擬PZT接收的信號，其中各個傳感器的位置如圖6所示。通過上述5種激勵方式，其中腹板反對稱激勵的導(dǎo)波傳播情況如圖7所示。

通過仿真結(jié)果可知，H型鋼的導(dǎo)波與板中導(dǎo)波具有一定的關(guān)聯(lián)性，導(dǎo)波傳播都是以激勵為中心的圓形向外傳播，H型鋼中在未經(jīng)邊界面反射回來的導(dǎo)波成分與平板類似，從而驗證了基于Lamb波的理論進(jìn)行分析的有效性。

仿真中考慮了腹板與翼板的差異，分別在腹板與翼板中各自進(jìn)行損傷的識別(以直徑為8 mm的孔損傷為參考)。作動器激勵的位置與傳感器接收的位置也決定了導(dǎo)波傳播的路徑。因此必須考慮激勵與接收位置對識別的影響，通過仿真腹板與翼板損傷在對上述5種不同激勵條件下分別在腹板與翼板的接收情況。

圖7 腹板對稱激勵下的導(dǎo)波傳播情況Fig.7 Guided wave propagation under web symmetrical excitation

仿真對于腹板與翼板損傷在不同激勵與接收條件下的導(dǎo)波情況如圖8所示，其中(a)與(b)是腹板存在損傷時不同激勵方式作用下，腹板與翼板的接收情況。從圖中比較可知，對于腹板的損傷，在腹板反對稱激勵與腹板接收條件下識別情況最為理想。(c)與(d)是翼板存在損傷時不同激勵方式作用下，腹板與翼板的接收情況。從圖中可知，對于翼板的損傷，在翼板一側(cè)激勵(與損傷同一側(cè))與翼板一側(cè)接收的條件下識別情況最為理想。

綜合比較腹板與翼板的損傷情況可知：腹板反對稱激勵與翼板一側(cè)激勵的兩種激勵方式效果比較好；而腹板對稱激勵、腹板單側(cè)激勵以及翼板中間激勵效果均較差；同時對于激勵、損傷和接收在同一板面上(即導(dǎo)波的傳播路徑不經(jīng)過腹板與翼板的交界面)的情況下識別情況最好。因此，可以以腹板與翼板交界處為分割面，將H型鋼分割成5個小窄板分別進(jìn)行損傷識別，即1塊腹板與4小塊翼板。

3.2 實驗算例

在仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實驗驗證，實驗現(xiàn)場如圖9所示。由型號為TEK AFG3022B的信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號，將該信號分成兩路：一路直接連接示波器以作參考信號，用來判斷零時刻；另一路經(jīng)過型號為KH-7602M的功率放大器將信號幅值放大，再通過PZT晶片將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號，在檢測結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生導(dǎo)波，由PZT晶片將機(jī)械信號轉(zhuǎn)換為電信號。通過型號為 DPO 3014 的示波器顯示、平均化處理，保存導(dǎo)波響應(yīng)波信號，以供后期信號處理，實現(xiàn)損傷的識別與定位。

仿真所得到的導(dǎo)波響應(yīng)信號，無背景噪聲，可通過求取波包的包絡(luò)線獲取不同模式、不同傳感路徑的導(dǎo)波的傳遞情況。實際實驗中，由于受電磁干擾、背景噪聲、傳感器與作動器的安裝誤差等方面影響，使得實驗所得的導(dǎo)波響應(yīng)信號與仿真信號存在一定差異。使用示波器內(nèi)嵌的多次平均功能，多次采樣后平均處理，減小隨機(jī)噪聲的影響，最后通過小波變換重構(gòu)采集的信號進(jìn)行分析。

圖8 不同激勵與接收對損傷識別情況Fig.8 Identification ability under different excitation and receive

圖9 實驗現(xiàn)場Fig.9 Experimental environment

圖10 作動器和傳感器布局Fig.10 The layout of Actuator and sensor layout

圖11 相同翼板孔損傷下仿真與實驗對比Fig.11 Experimental compare with the simulation result

布置如圖10所示的傳感網(wǎng)絡(luò)，通過作動器A1和A2對實驗工件進(jìn)行激勵，通過3個傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，取各傳感器采集信號的512組平均值經(jīng)過小波變換重構(gòu)。在與仿真相同位置的翼板處加工一個孔損傷，進(jìn)行如圖 9所示實驗，同樣取各傳感器采集信號的512組平均值經(jīng)過小波變換重構(gòu)。將傳感器S2的損傷信號與仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，由圖11可知，實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)在時間上吻合比較好，頻率上由于實驗過程中存在外界環(huán)境的干擾存在一定差異，但是該差異較小，不影響實驗結(jié)果。

用同樣的實驗方法，對腹板孔損傷進(jìn)行識別能力實驗。在H型鋼腹板進(jìn)行反對稱激勵并用傳感器進(jìn)行導(dǎo)波信號接收。分別選取腹板存在直徑為2，4，8 mm的孔損傷H型鋼與無損傷的進(jìn)行實驗比較。導(dǎo)波信號如圖12所示。

圖12中，直徑8 mm的孔損傷可以明顯地識別出來，而直徑為2，4 mm的孔損傷未能被識別。因此考慮對損傷信號與無損傷信號進(jìn)行作差比較，提高識別度。在圖13中，直徑4 mm的孔損傷也可以明顯地識別出來。

圖12 腹板孔損傷的識別情況Fig.12 Web′s hole-damage identification ability

圖13 腹板孔損傷的差信號Fig.13 Difference signals of the web′s Hole-Damage

4 結(jié) 論

1) 以H型鋼為例進(jìn)行損傷定位研究?？蓞⒄誏amb波傳播機(jī)理，綜合導(dǎo)波模式、波包時域分辨率及波的結(jié)構(gòu)等因素選擇頻率。本研究中，選用87.5 kHz的激勵信號，采用Lamb波A0模式進(jìn)行檢測。

2) 對比A0與S0模式進(jìn)行檢測情況，可知A0對損傷比較敏感，所以在微損傷識別能力上強(qiáng)于S0模式。

3) 經(jīng)過有限元仿真，采用腹板反對稱激勵、翼板一側(cè)激勵，將H型鋼分割成5個小窄板分別進(jìn)行損傷識別，能夠較準(zhǔn)確地實現(xiàn)H型鋼的損傷定位。

4) 對于損傷信號進(jìn)行作差處理，可以提高識別能力。對于本研究的H型鋼，在作差的條件下可以識別出直徑4 mm的孔損傷。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.06.022

國家自然科學(xué)基金資助項目(11372179)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才資助項目(NCET-13-0363)

2015-12-13；

2016-01-19

TH113.1； TB559

王國鋒，男，1991年1月生，碩士。主要研究方向為機(jī)械工程故障檢測。曾發(fā)表《超聲導(dǎo)波在圓管結(jié)構(gòu)損傷定位中的應(yīng)用》(《振動、測試與診斷》2017年第37卷第3期)等論文。

E-mail:kantwang@126.com