基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)損傷識別方法與技術(shù)研究

王光君，彭 暢，高世萍，陳大偉

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 國家工程技術(shù)研究中心，山東青島 266111)

我國高速鐵路具有跨越區(qū)域廣、使用環(huán)境多等特點，使得高速列車運用環(huán)境復(fù)雜，列車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件容易因此產(chǎn)生疲勞和損傷，對車輛運營造成安全隱患，影響國家人民生命財產(chǎn)安全。因此，實時監(jiān)測列車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的運行狀態(tài)，獲取關(guān)鍵部件的損傷信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車輛安全運營預(yù)警，對保障高速、載人、長期運行的高速列車安全穩(wěn)定運行具有十分重要的意義[1-2]。

超聲Lamb波作為超聲導(dǎo)波的一種，能夠在固體板中進行長距離傳播且能量衰減較小，對于結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷較敏感，抗干擾能力強，穿透能力強，常用于結(jié)構(gòu)損傷識別和監(jiān)測[3-4]。南京航空航天大學(xué)袁慎芳等課題組，基于超聲Lamb波開展了在線實時監(jiān)測飛機連接件的疲勞狀態(tài)研究，結(jié)果表明利用超聲Lamb波進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不僅預(yù)測精度高，而且能夠節(jié)約維修成本，提高系統(tǒng)運行的安全性[5-6]。北京航空航天大學(xué)何晶靖等課題組，基于超聲Lamb波提出了疲勞裂紋損傷的識別方法，并研究了不同角度對于疲勞裂紋損傷的影響[7-8]。Matteo等基于超聲Lamb波對飛機身面板進行了在線裂紋擴展預(yù)測[9]。綜合上述分析可知，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)中超聲導(dǎo)波對小損傷的敏感性較高和對區(qū)域的監(jiān)測能力較強[10-11]，已為航空航天關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件疲勞損傷在線實時監(jiān)測提供了有效方法，因此可以作為高速列車大型結(jié)構(gòu)件安全監(jiān)測的理想手段。

本文針對高速列車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)在線監(jiān)測的問題，提出了超聲導(dǎo)波結(jié)構(gòu)損傷識別方法，研發(fā)基于超聲導(dǎo)波損傷識別監(jiān)測系統(tǒng)?；诒O(jiān)測需求，設(shè)計壓電傳感器，開發(fā)研制配套的超聲導(dǎo)波檢測儀。以高速列車柔性機械臂為待測對象，基于有限元仿真分析超聲導(dǎo)波經(jīng)過損傷的信號特征變化，并開展了疲勞加載試驗進一步驗證所設(shè)計的超聲導(dǎo)波監(jiān)測系統(tǒng)的可行性和監(jiān)測結(jié)果的準確性。本系統(tǒng)的研制與應(yīng)用對高速列車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)實時準確監(jiān)測具有重要的意義。

1 損傷裂紋超聲導(dǎo)波檢測機理

激勵Lamb波信號是一種由橫波和縱波在傳播的過程中與板的上下表面相互反射耦合而產(chǎn)生的新型波，根據(jù)粒子振動的類型可以將Lamb 波劃分為對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)，如圖1所示。

圖1 對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)

在彈性力學(xué)中，根據(jù)Helmholtz原理和勢函數(shù)法，Lamb波在各向同性介質(zhì)中的波動方程可表示為：

(1)

(2)

式中:cL——縱波波速；

cT——橫波波速；

φ——標量勢函數(shù)；

ψ——矢量勢函數(shù)；

x——波傳播距離。

根據(jù)波動方程解得，

對稱模式：

(3)

反對稱模式：

(4)

式中：p、q——角頻率和橫波縱波波速的函數(shù)；

k——波數(shù)；

h——二分之一板厚。

Lamb波傳播的相速度曲線和群速度曲線圖，如圖2和圖3所示。

圖2 相速度曲線

圖3 群速度曲線

從圖3可以看出，當頻厚積小于2 MHz·mm時，僅出現(xiàn)S0和A0兩種模式，而且S0模式群速遠大于A0模式，當頻厚積大于2 MHz·mm時，出現(xiàn)多種模式。為了減少不同模式邊界反射信號疊加，頻厚積要小于2 MHz·mm。由于S0模式群速度大于A0模式，且S0對早期疲勞裂紋較敏感，因此，根據(jù)直達波S0模式信號特性進行疲勞裂紋損傷識別。

3 損傷程度識別算法

時域信號直接記錄了主動Lamb波信號在結(jié)構(gòu)健康檢測中的傳播過程，信號采集往往是在時間域內(nèi)完成的，Lamb波信號各模態(tài)及其與損傷的相互作用都可在時間域里直觀地反映出來。

3.1 Hilbert變換

Hilbert變換主要是用來分析Lamb波信號在時間域上的能量分布，可以用公式(5)表示：

(5)

式中：H(t)——信號f(t)的Hilbert變換；

f(τ)——信號f(t)在τ時刻的值；

t——時間。

對方程進行90°的相位轉(zhuǎn)換，生成信號FA(t)：

FA(t)=f(t)+iH(t)=e(t)·eiφ(t)

(6)

式中：e(t)——希爾伯特變換的包絡(luò)；

f(t)——超聲時域信號；

i——虛數(shù)；

e——底數(shù)；

φ(t)——相位。

3.2 相關(guān)系數(shù)分析

相關(guān)系數(shù)只與兩信號的波形相似度有關(guān)，與信號的幅值變化無關(guān)均方差對信號的整體幅值改變較為敏感。信號的差異性可以通過兩采樣信號的相關(guān)系數(shù)，表達式如下：

(7)

其中，

(8)

(9)

式中：CXY——兩信號的協(xié)方差，

μ——采樣信號的平均值；

N——信號長度；

X——無損信號；

Y——不同疲勞加載條件下的損傷信號；

ρ——損傷信號和無損信號的相關(guān)系數(shù)。

損傷系數(shù)DI定義為：

DI=1-ρ

(10)

當激勵的超聲Lamb波信號遇到裂紋時，信號的幅值和相位會發(fā)生變化，通過計算疲勞裂紋信號與健康信號相關(guān)系數(shù)，可以量化損傷系數(shù)與裂紋長度之間的關(guān)系，從而達到疲勞裂紋的識別。具體損傷檢測過程如圖4所示。

圖4 損傷識別流程圖

4 系統(tǒng)設(shè)計

圖5為壓電超聲導(dǎo)波損傷識別系統(tǒng)示意圖。壓電超聲導(dǎo)波損傷識別系統(tǒng)由被測結(jié)構(gòu)件、壓電傳感器、檢測儀和控制計算機組成，其中傳感器粘貼在被測結(jié)構(gòu)件易疲勞區(qū)域的表面，檢測儀發(fā)送一定頻率的超聲導(dǎo)波信號，經(jīng)激勵傳感器耦合到待測結(jié)構(gòu)件中，導(dǎo)波信號經(jīng)過損傷時，信號特征參數(shù)發(fā)生變化，由接收傳感器接收損傷信號，經(jīng)導(dǎo)線傳回到檢測儀，結(jié)合計算機進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)損傷識別。

圖5 壓電超聲導(dǎo)波損傷識別系統(tǒng)示意圖

為了提高損傷識別精度，綜合考慮了傳感器的粘貼位置，結(jié)合超聲導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)件中的頻散曲線以及各模態(tài)的群速度，選用超聲導(dǎo)波對損傷敏感的頻率范圍(中心頻率160 kHz)。壓電傳感器采用柔性封裝，便于粘貼和與檢測儀連接，具有使用方便，價格低廉，對損傷靈敏度高等優(yōu)點，能夠準確識別出待測結(jié)構(gòu)件的損傷狀態(tài)。

基于固體中超聲導(dǎo)波的傳播原理設(shè)計壓電超聲導(dǎo)波檢測儀，該檢測儀有兩個通道：發(fā)送端和接收端，發(fā)送端發(fā)送中心頻率為160 kHz的超聲導(dǎo)波信號，接收端接收經(jīng)過待測結(jié)構(gòu)件的導(dǎo)波信號。

5 試驗結(jié)果與分析

以鋁合金板結(jié)構(gòu)為研究對象，基于設(shè)計的壓電超聲導(dǎo)波損傷識別系統(tǒng)開展高速列車關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)件的損傷識別。

5.1 仿真分析

為了提高損傷識別精度，利用Abaqus軟件對鋁合金板結(jié)構(gòu)進行有限元仿真分析。圖6為有限元計算結(jié)果。邊界條件兩端固定，初始狀態(tài)只有預(yù)制裂紋。分析無損傷信號和有損傷信號特征變化，如圖7所示。

圖6 鋁合金板結(jié)構(gòu)有限元仿真

圖7 損傷系數(shù)、歸一化幅值、相位延遲與裂紋長度變化關(guān)系

通過有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)，超聲導(dǎo)波在經(jīng)過疲勞損傷區(qū)域時，由于損傷區(qū)域?qū)π盘柈a(chǎn)生了阻礙作用，從而導(dǎo)致信號能量發(fā)生衰減，時間發(fā)生延遲，信號整體發(fā)生畸變。

5.2 試驗驗證

在本實驗中，傳感器布局選擇單邊pitch-catch模式，該模式中的驅(qū)動器和傳感器位于鋁板上裂紋的兩側(cè)，傳感器采集到的響應(yīng)信號包含了裂紋處的散射波和透射波，因此可以通過提取響應(yīng)信號中的畸變信息進行裂紋識別。

圖8為同一測試件8個不同裂紋擴展階段的時域信號圖，階段0為無損狀態(tài)，作為疲勞試件的參考。隨著疲勞加載周次不斷增加，階段1～7裂紋擴展越來越明顯，裂紋長度和寬度隨著疲勞周次的增加不斷變長和增大，疲勞加載周次如表1所示。

圖8 不同裂紋擴展階段時域信號

表1 同一試件不同階段的疲勞損傷程度

裂紋擴展前期，僅裂紋長度增加因而可忽略寬度的影響；但隨著裂紋不斷變長，超聲Lamb波信號畸變將越來越大。

第一個波包不同階段疲勞損傷信號與階段0無損信號差，如圖9所示，隨著疲勞加載周次增加裂紋長度變長，差信號幅值也越來越大。

由圖9可知，階段1—4疲勞損傷信號隨疲勞加載周次增加，變化不明顯。早期裂紋擴展較短，信號畸變程度較低，測得疲勞損傷信號變化較小。隨著疲勞損傷程度的增加，損傷系數(shù)也隨之增大，如圖10所示，利用損傷系數(shù)的變化曲線實現(xiàn)對疲勞損傷的識別。

圖9 不同階段疲勞損傷差信號

圖10 不同階段損傷系數(shù)變化曲線

6 結(jié)論

為了滿足高速列車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的疲勞損傷實時監(jiān)測需求，本文設(shè)計了基于超聲導(dǎo)波的鋁合金板結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測系統(tǒng)，文中對超聲導(dǎo)波損傷檢測機理、系統(tǒng)設(shè)計和疲勞加載試驗進行了詳細介紹，具體包括：

(1)介紹了超聲導(dǎo)波傳播的基本原理，從物理角度解釋了超聲導(dǎo)波用于疲勞損傷檢測的機理；

(2)介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)及重要組成部分的性能和參數(shù)，并運用有限元仿真分析超聲導(dǎo)波與損傷作用原理，為損傷識別提供依據(jù)；

(3)開展了疲勞加載試驗，對監(jiān)測系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)進行分析，驗證了所設(shè)計的超聲導(dǎo)波監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足高速列車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的疲勞損傷監(jiān)測需求。