導(dǎo)波檢測(cè)金屬構(gòu)件疲勞裂紋的試驗(yàn)研究

劉麗娜，錢征華，蔡晨寧

(1.南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京 211156；3.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 211106)

在航空、土木、機(jī)械等工程領(lǐng)域，由于長(zhǎng)期承受交變載荷，材料疲勞損傷是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)(部件)服役性能退化的主要原因之一，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)本身和人員生命財(cái)產(chǎn)的安全。如2002年5月27日，臺(tái)灣華航一架波音747客機(jī)執(zhí)行最后一次航班任務(wù)從臺(tái)灣飛往香港進(jìn)行大修，由于金屬腐蝕疲勞造成尾翼裂紋，飛機(jī)墜入南中國(guó)海，225人喪生[1]。因此，如何及時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)并識(shí)別出結(jié)構(gòu)中存在的疲勞裂紋，并進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)和評(píng)估是當(dāng)前各類工程結(jié)構(gòu)面臨的重要課題之一。但是金屬構(gòu)件從疲勞裂紋萌生到發(fā)生斷裂只發(fā)生很小的永久變形，很難事先察覺，是一種極其危險(xiǎn)的破壞形式，且由于疲勞裂紋很細(xì)小，卸載后裂紋基本閉合，所以很難用傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法及時(shí)發(fā)現(xiàn)構(gòu)件中的初期疲勞裂紋[2-3]，對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行準(zhǔn)確的定性、定量表征則更困難。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是綜合性的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、評(píng)估及預(yù)警系統(tǒng)。對(duì)結(jié)構(gòu)中的局部損傷尤其是表面微小裂紋的監(jiān)測(cè)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中非常重要的一部分。傳統(tǒng)的無損檢測(cè)技術(shù)是利用超聲波設(shè)備在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生彈性波，利用檢測(cè)儀器，可以有效地探知結(jié)構(gòu)中的損傷情況。然而，由于超聲波發(fā)生裝置體積龐大，安裝復(fù)雜，不適合在分布式智能結(jié)構(gòu)中廣泛采用。近年來，一些學(xué)者開始研究附著或嵌入在結(jié)構(gòu)中的微小壓電晶體傳感器構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4-6]，其具有對(duì)微小損傷檢測(cè)靈敏度高、適用范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)采集和處理方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，在疲勞損傷檢測(cè)研究中具有廣闊的應(yīng)用前景[7]。

本文提出將導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)和先進(jìn)數(shù)據(jù)處理方法(小波分析)相結(jié)合的方法，對(duì)疲勞載荷下鋁合金構(gòu)件疲勞裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展進(jìn)行在線的持續(xù)監(jiān)測(cè)，測(cè)試裝置是建立在試樣上的疲勞載荷，PZT傳感器表面安裝在試樣上，在疲勞試驗(yàn)中激發(fā)和接收導(dǎo)波。利用連續(xù)小波變換從導(dǎo)波信號(hào)中提取特征，表征疲勞微裂紋的存在和擴(kuò)展給出置信度，并驗(yàn)證了所提出方法的有效性[8]。

1 信號(hào)處理與特征提取

在基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，為了表征損傷的發(fā)生和發(fā)展，需要從信號(hào)中提取損傷特征。通常損傷特征是隨損傷的發(fā)生和發(fā)展而變化的參數(shù)。對(duì)于采用的信號(hào)處理技術(shù)來說，所提取的信號(hào)特征需要能有效地保留信號(hào)的特性，并且具有良好的穩(wěn)定性[9-10]。本文采用連續(xù)小波變換對(duì)導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行處理，提取特征，以表明疲勞裂紋的存在和進(jìn)展。信號(hào)的小波變換由如下幾方面定義：

(1)

式中，ψ是母小波；a和b被稱為尺度和平移參數(shù)；上標(biāo)*表示一個(gè)復(fù)雜的共軛。在本研究中，采用Gabor小波作為母小波，提供了良好的時(shí)頻分辨率。

為裂紋檢測(cè)定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的特征，它代表傳感器從特定的診斷勵(lì)磁接收到的能量，并由連續(xù)小波變換處理。它在時(shí)頻域中定義為：

(2)

式中，WE是小波能量的簡(jiǎn)稱，CWT在方程式1中的定義；Vs與波信號(hào)相對(duì)應(yīng)；f表示小波能量的計(jì)算頻率；[ts,te]定義了計(jì)算小波能量的時(shí)間范圍的下限和上限。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

選取牌號(hào)為7075的鋁合金試件，尺寸為長(zhǎng)500 mm×寬20 mm×厚50 mm，通過材料拉伸試驗(yàn)得到鋁合金的力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度≥560 MPa，伸長(zhǎng)應(yīng)力≥495 MPa，伸長(zhǎng)率≥6%。為了控制鋁合金裂紋的產(chǎn)生部位和方向，沿軋制方向截取V形單邊缺口試樣，高度為5 mm，為了減小試件內(nèi)部殘余應(yīng)力對(duì)疲勞加載試驗(yàn)的影響，對(duì)缺口加工后的試樣進(jìn)行去應(yīng)力退火，在260 ℃保溫1.5 h后水冷。在試件的表面，位于缺口兩側(cè)各30 mm處，貼有2個(gè)直徑為10 mm、厚度為1 mm的PZT壓電元件，其上下電極導(dǎo)線均可從上表面引出，并使用環(huán)氧樹脂膠封裝PZT壓電傳感器，分別作為驅(qū)動(dòng)器和傳感器，其外形如圖1所示。在5T疲勞試驗(yàn)加載系統(tǒng)(見圖1)上進(jìn)行疲勞加載，加載頻率為6 Hz，加載波形為正弦波，采取四點(diǎn)等幅彎曲加載方式，載荷跨度為150 mm，支承跨度為350 mm，在最大應(yīng)力σMAX≥560 MPa、應(yīng)力比R=0.1條件下進(jìn)行加載。在疲勞加載過程中裂紋會(huì)從缺口位置萌生，而且缺口附近位置的應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度，會(huì)產(chǎn)生塑性變形，該處所萌生的疲勞裂紋是彈塑性裂紋。疲勞裂紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則由美國(guó)NI公司生產(chǎn)的PXI-5442任意波形發(fā)生器、PXI-6115高速數(shù)據(jù)采集卡組成。在疲勞裂紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，PXI-5442任意波形發(fā)生器發(fā)出所需的診斷信號(hào)，由PZT驅(qū)動(dòng)器在試件中激勵(lì)應(yīng)力波信號(hào)，經(jīng)過傳播后，由PZT傳感器接收，并通過PXI-6115高速數(shù)據(jù)采集卡采樣后存儲(chǔ)于控制計(jì)算機(jī)用于后續(xù)分析。試驗(yàn)中PXI-6115高速數(shù)據(jù)采集卡的采樣率設(shè)為10 MHz。在金屬試樣上安裝數(shù)字顯微鏡，對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展初期形成的亞毫米級(jí)微小裂紋進(jìn)行表面形貌觀察，對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展階段試樣表面形成的宏觀裂紋，利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)疲勞裂紋區(qū)域進(jìn)行拍照，并配合軟件完成裂紋長(zhǎng)度的測(cè)量。

3 疲勞裂紋監(jiān)測(cè)結(jié)果

從材料學(xué)角度，通常將疲勞過程劃分為疲勞裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展2個(gè)階段。宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋成核、長(zhǎng)大及連接而形成的。在確定疲勞裂紋的萌生階段時(shí)尚無統(tǒng)一的裂紋尺度標(biāo)準(zhǔn)，常將起始的裂紋定為疲勞裂紋核，并由此確定出疲勞裂紋的萌生期。而對(duì)于疲勞裂紋的擴(kuò)展階段，又可以細(xì)分為裂紋起始(微米量級(jí))、短裂紋(毫米量級(jí))和長(zhǎng)裂紋3個(gè)階段。

為了充分了解裂紋對(duì)導(dǎo)波的影響，首先在初始狀態(tài)下采集基線信號(hào)。圖2a顯示了中心頻率為200 kHz的激勵(lì)信號(hào)，圖2b顯示了原始狀態(tài)下的相應(yīng)波形信號(hào)。然后進(jìn)行疲勞加載，隨加載周期的增加，采集導(dǎo)波信號(hào)。在一定的疲勞周期區(qū)間內(nèi)，暫停載荷，并進(jìn)行導(dǎo)波信號(hào)的采集。此外，利用數(shù)字顯微鏡進(jìn)行裂縫觀測(cè)，為裂縫的發(fā)生和發(fā)展提供參考。在裂紋形成前，將區(qū)間設(shè)置為1 000循環(huán)，并在觀測(cè)到裂紋后，將區(qū)間設(shè)置為500循環(huán)。圖3a顯示了裂紋長(zhǎng)度隨疲勞周期的增加而變化的情況，顯微鏡觀察到，圖3b顯示了在5 000疲勞周期觀察到裂紋時(shí)顯微鏡所拍攝的典型圖像。從圖3a可以看出，在大約4 000的疲勞循環(huán)中，顯微鏡觀察到長(zhǎng)度約為0.48 mm的小裂紋。在大約8 000疲勞周期，裂紋長(zhǎng)度顯著增加，長(zhǎng)度約為2.67 mm。在1萬疲勞循環(huán)后，裂紋的長(zhǎng)度增加到6 mm以上，并接近試樣的斷裂失效，從而使疲勞試驗(yàn)停止。

利用小波變換對(duì)導(dǎo)波進(jìn)行處理，以表征疲勞裂紋的發(fā)生和發(fā)展。以圖2b為例，在裂紋后的波形信號(hào)中，給出了在5 000疲勞循環(huán)中得到的波信號(hào)，并與從原始狀態(tài)得到的波信號(hào)進(jìn)行了比較。從圖2b可以清楚地看出，裂紋的存在明顯地改變了波的信號(hào)。圖4a顯示了健康信號(hào)的小波變換譜，圖4b顯示了在5 000疲勞循環(huán)開裂后的散射信號(hào)的小波變換譜。圖5顯示了在200 kHz開裂前后所獲得的波信號(hào)的小波變換。通過積分方程式(見式2)中定義的小波變換區(qū)域，可以得到每個(gè)頻率下的子波能量特征。圖5顯示了裂紋長(zhǎng)度的變化特征，可用于表征疲勞裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展。

4 結(jié)語

本文提出了一種利用導(dǎo)波監(jiān)測(cè)金屬疲勞裂紋的試驗(yàn)方法，應(yīng)用導(dǎo)波對(duì)結(jié)構(gòu)中的疲勞微裂紋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定疲勞裂紋產(chǎn)生與否。建立了由5T疲勞試驗(yàn)加載裝置和數(shù)碼顯微鏡組成的試驗(yàn)系統(tǒng)，研究載荷循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)力波傳播的綜合影響以及與金屬試件槽邊疲勞裂紋間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。利用小波變換處理裂紋產(chǎn)生前后的應(yīng)力波信號(hào)，提取信號(hào)特征，疲勞裂紋的存在進(jìn)行檢測(cè)，并與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果相吻合。試驗(yàn)結(jié)果表明，提出的檢測(cè)方法能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)出疲勞裂紋的存在。