基于超聲水平剪切波的加筋板結(jié)構(gòu)損傷識別

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，大連 116024)

加筋結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于船舶與海洋工程等大型裝備中，這些裝備在服役過程中會受到各類復(fù)雜載荷的共同作用[1]，在這些載荷作用下,加筋結(jié)構(gòu)焊接處極易產(chǎn)生損傷，因此為保障裝備的安全平穩(wěn)運行，對加筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)損傷并對損傷進(jìn)行定量評估具有十分重要的意義[2]。

傳統(tǒng)的損傷檢測技術(shù)包括聲發(fā)射檢測、X射線檢測、電渦流檢測、微波檢測、紅外熱成像及光全息照相檢測等[3]，這些技術(shù)往往需要較大體積的信號激勵和采集裝置，因此不適用于復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的檢測。此外，對于薄板結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的檢測方法損傷識別精度較低，基于波動理論的超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)作為近年來無損檢測的重要技術(shù)，與其他方法相比具有適應(yīng)性強、靈敏度高、使用靈活，并且對人體無害等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域[4]。

目前，基于Lamb波和水平剪切波(SH波)的損傷識別技術(shù)是超聲導(dǎo)波無損檢測領(lǐng)域的主要研究方向。WORLTON[5]指出Lamb波在鋁中頻散曲線的模式特征可應(yīng)用于材料的無損檢測，其后，國內(nèi)外學(xué)者對基于Lamb波的損傷識別展開了大量研究并取得了一定成果[6]。然而Lamb波本身固有的頻散特性和多模態(tài)特征，大大提高了信號處理過程中提取損傷特征信息的難度[7]，與Lamb波相比，板結(jié)構(gòu)中基礎(chǔ)模態(tài)的水平剪切波(SH0)具有非頻散、同損傷相互作用后模態(tài)轉(zhuǎn)換少等優(yōu)勢[8]，顯著提高了信號處理效率和檢測精度，具有很高的工程實際應(yīng)用價值。

國內(nèi)外學(xué)者在基于SH波的損傷檢測方面的研究取得了諸多成果：SU等[9]發(fā)現(xiàn)Lamb波在復(fù)合梁的傳播過程中，其會與結(jié)構(gòu)損傷相互作用并發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換形成的SH波可用于損傷的定量評估；LEE等[10]觀察到SH波對于焊接結(jié)構(gòu)的完整性十分敏感，并將SH波應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)缺陷的檢測中；YAN等[11]研究了SH波在多層周期性結(jié)構(gòu)中遇到裂紋后的散射現(xiàn)象； LIU等[12-13]開展了基于磁致伸縮SH波傳感器性能的研究，并有效地對板結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行了識別。同時，如何實現(xiàn)高效的SH波的激勵和接收一直是學(xué)者們研究的重點，基于壓電換能器體積小、能量轉(zhuǎn)換效率高的特點，有學(xué)者提出了沿特定方向極化的d36型壓電單晶[14-16]和基于面剪切模式的d24型壓電晶片[17],實現(xiàn)了在特定方向上SH波的激勵和接收。為了突破方向性的限制，HUAN等[18-19]提出了一種基于厚度剪切式(d15)的全向型SH波壓電換能器，實現(xiàn)了在較寬頻段內(nèi)各方向上激勵和接收單模態(tài)SH0波，且在各方向上具有良好的均一性。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對于加筋結(jié)構(gòu)的超聲損傷識別技術(shù)主要是基于Lamb波來實現(xiàn)的，ZHENG等[20]基于Lamb波結(jié)合定量波前表達(dá)式和ToF(飛行時間)方法實現(xiàn)了對加筋復(fù)合板的損傷檢測，劉國強等[21]利用Hilbert變換提取了Lamb波波包的能量變換信息,來監(jiān)測復(fù)合材料T型加筋板的損傷，MANDAL等[22]基于非線性Lamb波的主動感知技術(shù)，識別了加筋金屬板中的呼吸裂紋損傷。

綜上所述，筆者基于超聲SH波傳播理論和壓電效應(yīng)原理，采用d15式全向型SH波壓電換能器，結(jié)合離散橢圓算法對加筋結(jié)構(gòu)損傷識別進(jìn)行研究，針對單損傷問題提出了利用損傷邊界效應(yīng)對損傷進(jìn)行精確識別的方法，針對多損傷問題提出了分區(qū)域二次識別方法，驗證了SH波在復(fù)雜板結(jié)構(gòu)無損檢測中的工程應(yīng)用價值。

1 d15式全向型SH波壓電換能器

圖1 d15全向型SH波壓電換能器結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)壓電材料的本構(gòu)方程可知，壓電材料的應(yīng)變和電通密度由所受的應(yīng)力和電場兩部分影響疊加所得，故其既可用于傳感器也可用于作動器，又因其具有能量轉(zhuǎn)換效率高和材料輕便等特點，一些學(xué)者開展了應(yīng)用壓電材料激發(fā)SH波的研究，近年HUAN等[18-19]提出的d15式全向型SH波壓電換能器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過將沿厚度極化的壓電陶瓷圓環(huán)沿直徑等分切割為12塊扇形體，然后在各個扇形體單元側(cè)面制作電極之后,按照相鄰扇形體極化方向相反的原則重新組裝，由于各個扇形體單元黏接面處電勢相等，因此在換能器上施加電壓后，將會在其內(nèi)部產(chǎn)生周向電場，使其發(fā)生周向的剪切變形。

由于十二等分切割的全向型SH波壓電換能器制備工藝略為繁瑣，HUAN等[23]隨后又提出了二等分切割的半圓環(huán)全向型SH波壓電換能器，而該型壓電換能器可以實現(xiàn)良好的SH波激發(fā)效果，并且制備工藝較為簡單，因此筆者將采用二分之一圓環(huán)d15式全向型SH波壓電換能器作為作動器和傳感器。

2 離散橢圓算法

基準(zhǔn)差法(Baseline Subtraction Method)廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中[24]，首先將采集結(jié)構(gòu)無損狀態(tài)下的監(jiān)測信號SH(t)作為基準(zhǔn)信號，然后采集結(jié)構(gòu)受損后的實時監(jiān)測信號SD(t),并從中減去基準(zhǔn)信號后得到包含有損傷位置和損傷程度信息的差信號SR(t),即可得到經(jīng)過損傷處的散射信號。

實際檢測中,差信號一般幅值較小且有噪聲，故采用連續(xù)小波變換(CWT)對差信號SR(t)進(jìn)行處理，得到變換后的信號XR(t)。通常情況下,XR(t)包含有串?dāng)_信號、損傷處的散射信號以及結(jié)構(gòu)邊界處的反射信號，由于損傷識別時重點關(guān)注對象為損傷處的散射信號，為排除其他無關(guān)信號對識別結(jié)果的影響，定義權(quán)函數(shù)ω(ti)如式(1)所示。

(1)

式中:ta為串?dāng)_信號的結(jié)束時刻；tb為結(jié)構(gòu)邊界反射信號的起始時刻;ti為差信號XR(t)在時間軸上的任一時刻。

再按式(2)計算得到損傷識別所需的損傷散射信號X(ti)。

X(ti)=XR(ti)·w(ti)

(2)

檢測時布置多個壓電換能器，在“單發(fā)多收”的檢測模式下，傳統(tǒng)橢圓算法如圖2(a)所示。通過計算得到鋁板中SH0波的波速vg，再乘以損傷散射信號到達(dá)接收傳感器的飛行時間t，得到其傳播距離s，便能確定實際損傷位于以激勵傳感器和接收傳感器為焦點、s為長軸的橢圓軌跡上，由多對傳感路徑得到的橢圓軌跡的交點即為損傷所在位置[12,25]。筆者采用離散橢圓算法進(jìn)行損傷定位和損傷成像，離散橢圓算法如圖2(b)所示，SH0波從激勵傳感器(xi,yi)傳播至結(jié)構(gòu)離散點(x,y)，再到達(dá)接收傳感器(xj,yj)的飛行時間可按式(3)計算得到。

(3)

圖2 損傷識別方法示意

將損傷散射信號點列中t(x,y)時刻對應(yīng)的幅值X[t(x,y)]賦予該離散點。為提高損傷識別和成像的魯棒性及準(zhǔn)確性，選取多條路徑參與融合計算，按照式(4)計算得到各個離散點的損傷幅值指數(shù)[26]。

(4)

式中:I(x,y)為離散點(x,y)處的損傷幅值指數(shù);Xk[tk(x,y)]為離散點(x,y)處對應(yīng)第k條傳感器路徑的損傷指數(shù)。

3 試驗平臺及傳感器驗證

采用PZT-5H型壓電陶瓷片制作二分之一圓環(huán)全向型壓電換能器，其沿厚度方向極化，片體內(nèi)徑為6 mm，外徑為12 mm，厚度為2 mm；試驗中以加筋鋁板為被監(jiān)測結(jié)構(gòu)，其中平板尺寸為1 000 mm×1 000 mm×2 mm(長×寬×高)，T型筋腹板尺寸為1 000 mm×80 mm×3 mm(長×寬×高)，T型筋面板尺寸為1 000 mm×50 mm×2 mm(長×寬×高)，在T型筋兩側(cè)對稱放置10個壓電換能器，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)(見圖3)。

圖3 加筋鋁板損傷識別系統(tǒng)示意

整個損傷監(jiān)測試驗平臺由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和被測試件3個部分組成。硬件系統(tǒng)包括產(chǎn)生激勵信號的NI PXIe-5412型任意波形發(fā)生器、采集信號的NI PXIe-5105型高速數(shù)據(jù)采集卡、用于數(shù)據(jù)處理的NI PXIe-8820型控制器以及7602M型電壓放大器；軟件部分則采用基于LabVIEW軟件開發(fā)的超聲SH波監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)信號的激發(fā)、采集和后處理。

檢測前需要對10個壓電換能器的性能進(jìn)行驗證，確認(rèn)其是否能激發(fā)單一模式的SH0波。分別把T1，T2，T3，T4，T5號換能器作為作動器，并依次用T1′，T2′，T3′，T4′，T5′號換能器作為接收傳感器，驗證5條路徑的波傳播速度,激勵信號采用中心頻率為180 kHz，幅值為4 V的5周期正弦漢寧窗調(diào)制信號，電壓放大器的放大倍數(shù)為28 dB。

圖4 T1-T1′路徑的激發(fā)信號和接收信號

T1-T1′路徑的時域信號如圖4(a)所示，接收信號中只有一個與激勵信號波形相同的大波包，說明換能器既能作為作動傳感器激發(fā)超聲導(dǎo)波信號，也可以作為接收傳感器有效接收導(dǎo)波信號；利用連續(xù)小波變換對激勵和接收的時域信號進(jìn)行處理，得到對應(yīng)激勵頻率為180 kHz的波包在時間軸上的幅值分布，如圖4(b)所示。通過能量最大法來確定波包傳播的時間t，然后利用已知的傳播路徑求得對應(yīng)波的群速度，依次對5條路徑的時域信號進(jìn)行處理。為了保證信號的穩(wěn)定性與可靠性，每條路徑取多組信號的平均值，得到對應(yīng)的群速度如表1所示。試驗得到的速度與SH0波數(shù)值求解的理論群速度基本吻合，相對誤差均小于2%，驗證了采用的5組全向型SH波壓電換能器能夠有效地激勵和接收單一模態(tài)的SH0波。

表1 5條路徑對應(yīng)的群速度

4 試驗結(jié)果及討論

4.1 單損傷研究

首先對焊接結(jié)構(gòu)存在單損傷的情況進(jìn)行識別研究，在鋁板與T型筋交接處打磨長為20 mm的損傷缺陷，如圖3中損傷區(qū)域深色部分所示。采用“單發(fā)多收”的方式，T1T5號換能器依次為作動器，T1′T5′號換能器依次為接收傳感器，共25條路徑組成傳感器網(wǎng)絡(luò)。

試驗分別測得加筋板無損狀態(tài)下的基準(zhǔn)信號和損傷信號，利用基準(zhǔn)差法得到散射信號，圖5中隨機給出了路徑T4-T4′信號通過連續(xù)小波變換得到的幅值曲線，將激勵信號的峰值點定義為初始時間，即波包的飛行時間t為激勵信號的峰值點到差信號任意點的時間歷程。

圖5 T4-T4′激勵信號和散射信號小波變換后的幅值曲線

將板沿x，y方向離散成1 mm×1 mm(長×寬)的矩形網(wǎng)格，利用離散橢圓幅值全加法對25條路徑進(jìn)行融合，將融合后的離散各點對應(yīng)的差信號波包幅值作為判斷損傷大小的指數(shù)。圖6為單損傷離散橢圓算法成像結(jié)果，圖中在y=0.382 m處損傷指數(shù)最大，實際損傷的范圍y為0.3620.382 m，損傷概率最大位置正好對應(yīng)于損傷的一個端點，分析原因是傳播中的SH0波在損傷邊界處發(fā)生散射,在損傷邊界處的差信號波包幅值較大，因此在邊界處的損傷指數(shù)會產(chǎn)生峰值。

圖6 單損傷離散橢圓算法成像結(jié)果

圖7 局部損傷指數(shù)隨T型筋位置變化的曲線

圖7為局部損傷指數(shù)隨T型筋位置變化的曲線，從曲線變化趨勢可知，在損傷指數(shù)最大值附近還存在一個指數(shù)峰值，根據(jù)邊界效應(yīng),該峰值對應(yīng)該損傷的另一個端點，判定損傷區(qū)域是0.3580.382 m，與實際損傷范圍基本吻合。結(jié)果表明,該試驗方法可以對加筋鋁板焊縫處的損傷進(jìn)行精確定位及損傷程度的判別，通過離散橢圓幅值全加算法得到的損傷指數(shù)可以用于加筋鋁板的損傷識別。

4.2 多損傷研究

在實際工程中，結(jié)構(gòu)損傷往往不是單獨存在的,而是多個不同的損傷同時存在，這種情況對結(jié)構(gòu)的危害更大，因此筆者針對多個損傷同時存在的情況進(jìn)行了試驗研究。在單損傷的基礎(chǔ)上制備兩個長度分別為10,30 mm的損傷區(qū)域，3個損傷區(qū)域編號及位置如表2所示。同單損傷識別相同，利用離散橢圓幅值全加算法對25條傳感器路徑的散射信號進(jìn)行處理，得到多損傷指數(shù)隨T型筋位置變化的曲線如圖8所示。由圖8可知，損傷指數(shù)最大值位于0.443 m處，與任意一個損傷的位置均不對應(yīng)，從曲線特征來看，無法讀取出與3個損傷有關(guān)的指數(shù)峰值，因此該方法無法同時有效識別多個損傷。

表2 3個損傷區(qū)域編號及位置

圖8 多損傷指數(shù)隨T型筋位置變化的曲線

通過對每條傳感器路徑的信號研究發(fā)現(xiàn)，各路徑對于不同位置的損傷敏感程度不同，激勵傳感器和接收傳感器連線與損傷中心點垂向距離越小的路徑對于該損傷識別效果越好，因此通過25條路徑融合得到的損傷指數(shù)曲線無法對多個損傷進(jìn)行有效識別，需要對識別算法進(jìn)行改進(jìn)。

需要對多個損傷進(jìn)行初步定位，將5對傳感器均勻分為3組，每組傳感器中包含9條路徑(見表3)。對每組內(nèi)的路徑進(jìn)行損傷指數(shù)融合，結(jié)果如圖9(a)，9(c),9(e)所示，其中第一組和第二組的指數(shù)曲線在最大值處均存在2個峰值，第三組的指數(shù)曲線在最大值附近只有1個峰值(原因是只采用了3組傳感器,共9條路徑進(jìn)行幅值全加融合，對比單損傷時的5組傳感器,共25條路徑進(jìn)行損傷指數(shù)融合的情況,路徑過于稀疏導(dǎo)致第2個峰值不明顯)。將初步定位結(jié)果與實際損傷位置進(jìn)行比較，損傷初步定位結(jié)果如表4所示，初步定位的損傷中心點位置較為精確，損傷2的中心點位置由于兩個峰值區(qū)分不明顯，所以定位誤差偏大，達(dá)到了26 mm，其余兩個損傷的絕對誤差均小于10 mm；同時，發(fā)現(xiàn)初步定位識別的損傷范圍偏大，說明對傳感器進(jìn)行粗略分組后的識別精度不夠，需要依據(jù)初步定位的損傷中心點的位置進(jìn)行二次損傷精確識別。

表3 初步定位傳感器路徑分組

表4 損傷初步定位結(jié)果

基于與損傷距離越近的傳感器路徑對損傷越敏感這一特性，利用初步定位的中心點位置與激勵-接收直達(dá)路徑距離的相對關(guān)系,提出一種權(quán)重系數(shù)β來提高識別精度，其表達(dá)式如式(5)，(6)所示。

(5)

(6)

式中：(a，b)為損傷中心點的坐標(biāo)；(xa，ya)為激勵傳感器的坐標(biāo)；(xs，ys)為接收傳感器的坐標(biāo);z為中心點到激勵和接收傳感器距離之和與兩個傳感器距離的比值;α為控制權(quán)重系數(shù)相對大小的影響因子，α越大，距離損傷中心點越遠(yuǎn)的路徑權(quán)重系數(shù)β衰減越快，β越接近于1,則路徑直達(dá)波包經(jīng)過損傷的概率越大，降低了不敏感路徑對損傷識別精度的影響。

在初步定位的基礎(chǔ)上，求得每組內(nèi)9條路徑的權(quán)重系數(shù)β，對9條路徑求得的幅值進(jìn)行加權(quán)求和，得到各組的損傷指數(shù)變化曲線如圖9(b),9(d),9(f)所示。與加權(quán)之前的曲線相比，曲線峰值更加突出，且加權(quán)后的損傷指數(shù)曲線均為單峰值，產(chǎn)生單峰值的原因是各路徑對損傷指數(shù)的貢獻(xiàn)會由于權(quán)重系數(shù)的存在而更加集中，所以加權(quán)后的損傷指數(shù)曲線表現(xiàn)為單峰值。

圖9 加權(quán)前后3組路徑的損傷指數(shù)曲線

由于加權(quán)后的指數(shù)曲線不再具有雙峰值的特點，所以利用邊界效應(yīng)確定損傷大小的方法不再可行，需要定義閾值I0來確定損傷的大小，當(dāng)歸一化后的損傷指數(shù)達(dá)到損傷閾值時，認(rèn)定該區(qū)域為損傷區(qū)域。根據(jù)單損傷識別結(jié)果定義閾值，利用單損傷指數(shù)曲線計算不同大小的閾值對應(yīng)的損傷大小識別誤差。表5給出了閾值為0.97，0.98，0.99時所對應(yīng)的識別精度，由表5可知，隨著閾值的增大，損傷大小識別誤差逐漸減小。由于超聲損傷檢測系統(tǒng)的識別誤差一般要求在10 mm以內(nèi)[19,23]，為了提高識別精度，定義閾值I0=0.99，即損傷指數(shù)I≥0.99的區(qū)域認(rèn)定為損傷區(qū)域。利用閾值I0計算加權(quán)后的二次損傷識別結(jié)果，兩次識別結(jié)果對比如表6所示，由表6可知，與初步識別結(jié)果相比，二次識

表5 單損傷不同閾值的識別精度對比

表6 兩次識別結(jié)果對比

別損傷范圍精度得到了大幅提高；比較3個損傷結(jié)果發(fā)現(xiàn)，損傷①的識別誤差偏大，損傷③的識別精度較高，說明尺度越大的損傷的識別效果越好。

5 結(jié)語

針對加筋板焊接結(jié)構(gòu)的損傷問題，利用基于SH0波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)對其進(jìn)行損傷識別研究，采用新型的全向型SH波壓電換能器組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，對單損傷和多損傷情況進(jìn)行了探討，通過試驗研究得到了以下結(jié)論。

(1) 采用的二分之一全向型SH波壓電換能器能夠在加筋結(jié)構(gòu)中有效地激勵和接收單一模態(tài)的SH0波，并且具有較好的魯棒性。

(2) 對于單損傷情況，利用離散橢圓算法的幅值全加法對25條路徑的差信號進(jìn)行融合，基于損傷邊界的散射效應(yīng)在損傷端點處會產(chǎn)生指數(shù)峰值，從而通過損傷指數(shù)最大處的兩個峰值可以精確定位損傷,同時判斷損傷程度，表明此方法可以用于加筋板焊接結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測。

(3) 對于多損傷情況，研究發(fā)現(xiàn)每條路徑對于不同位置的損傷敏感程度不同，與損傷中心點垂向距離越小的路徑對于該損傷的識別效果越好，因此提出一種分區(qū)域二次識別方法：首先,分區(qū)域?qū)Ω鱾€損傷進(jìn)行初步定位，利用初步定位的中心點位置求得各個路徑的損傷權(quán)重系數(shù)β；然后，對各路徑損傷指數(shù)重新加權(quán)融合后進(jìn)行二次精確識別，根據(jù)單損傷識別結(jié)果定義損傷指數(shù)閾值I0=0.99，對損傷區(qū)域尺度進(jìn)行界定。結(jié)果表明:分區(qū)域二次識別方法可以較為有效地識別多個損傷同時存在的情況，同時發(fā)現(xiàn)該方法對于尺度越大的損傷識別效果越好。