基于超聲導(dǎo)波的鋼梁結(jié)構(gòu)損傷大小識(shí)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(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室，新南威爾士 2006)

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

對(duì)于損傷的識(shí)別一般包括兩個(gè)方面:損傷的位置識(shí)別以及嚴(yán)重程度判斷。損傷的位置一般是通過(guò)計(jì)算導(dǎo)波飛行時(shí)間(Time-of-Flight，ToF)和波速來(lái)確定。如本研究的前一階段工作研究了利用導(dǎo)波方法對(duì)厚梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測(cè)的可行性，并在算例中使用飛行時(shí)間對(duì)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(duì)板中的損傷進(jìn)行了定位。在損傷類(lèi)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(guò)波形信號(hào)可以判斷損傷的大小信息。在文獻(xiàn)［2，5－7] 中，通過(guò)導(dǎo)波透射系數(shù)(透過(guò)損傷后波形幅值與無(wú)損傷情況幅值的比值)或者損傷反射系數(shù)來(lái)比較不同損傷深度或者厚度的波形信號(hào)，可以對(duì)損傷大小進(jìn)行判斷。與之類(lèi)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(shí)別的信號(hào)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(shí)間差來(lái)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(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)中損傷的位置與程度。

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

1 試件與傳感器布置

本研究的對(duì)象為厚度為30 mm的Q235鋼梁，長(zhǎng)800 mm，截面尺寸30 mm×30 mm。這個(gè)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度可以保證透射信號(hào)中S0和A0波包剛好能夠分開(kāi)(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(hào))，在另一端也布置一個(gè)PZT透射傳感器(采集的是透過(guò)損傷的透射信號(hào))。傳感器布置在兩端理論上可以在整個(gè)梁長(zhǎng)的范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(jiàn)的疲勞裂紋的一種簡(jiǎn)化。圖示三維穿透型切槽損傷(一個(gè)維度尺寸是固定的)大小包括兩個(gè)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(yàn)證

2.1 有限元模型建立

彈性導(dǎo)波的有限元仿真是通過(guò)商業(yè)有限元軟件Abaqus/Explicit實(shí)現(xiàn)的，該軟件通過(guò)顯式直接積分的方法來(lái)求解動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題，特別適合計(jì)算應(yīng)力波傳播模型［12]。整個(gè)模型包含了720 000個(gè)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(shí)間步長(zhǎng)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(gè)節(jié)點(diǎn)間(單元長(zhǎng)度Δx)傳播的時(shí)間。

在梁結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)位置節(jié)點(diǎn)施加集中力來(lái)模擬PZT激振器通電時(shí)的伸縮效應(yīng)［14](圖2)。本研究中采用的激勵(lì)信號(hào)是中心頻率為35 kHz、3.5周期的加漢寧窗的正弦信號(hào)［15]。在此頻率厚度積下導(dǎo)波信號(hào)中主要有兩種基礎(chǔ)對(duì)稱(chēng)模式S0(波速約為5 200 m/s)和反對(duì)稱(chēng)模式A0(波速約為3 200 m/s)。而PZT傳感器的仿真則通過(guò)采集對(duì)應(yīng)位置節(jié)點(diǎn)的平均應(yīng)力實(shí)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(guò)刪除單元來(lái)實(shí)現(xiàn)的(圖3)，通過(guò)該方法能很容易實(shí)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(hào)等，從而為研究損傷大小變化對(duì)信號(hào)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

圖4 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及損傷線切割加工Fig.4 The SHM experiment platform and the wire cut machining of the notch

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括信號(hào)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(shí)現(xiàn)兩路獨(dú)立任意波形信號(hào)輸出，7602M能實(shí)現(xiàn)1 MHz帶寬內(nèi)高達(dá)±200 V的電壓放大輸出，DPO3014可以實(shí)現(xiàn)4通道信號(hào)的采集(即最多采集4個(gè)傳感器信號(hào))。

試件切槽的加工是通過(guò)線切割機(jī)(蘇州寶碼DK7732)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)線切割可以實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖5、圖6是實(shí)驗(yàn)信號(hào)與有限元仿真波形幅值歸一化的對(duì)比圖，其中圖5(a)和圖6(a)為反射傳感器信號(hào)(導(dǎo)波從開(kāi)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(hào)(行程大約800 mm)。由于實(shí)驗(yàn)信號(hào)在時(shí)間點(diǎn)0μs～100μs處有電磁干擾，所以信號(hào)對(duì)比主要從100μs開(kāi)始。

對(duì)比之前首先要對(duì)信號(hào)的各個(gè)波包進(jìn)行物理解釋?zhuān)瑘D5(a)第一個(gè)波包為PZT激振器直接傳入反射傳感器的的信號(hào)(一般認(rèn)為代表了入射的激勵(lì)信號(hào))，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(kāi)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(hào)中大約180μs時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)的兩個(gè)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(huì)對(duì)R－S0、R－A0的到達(dá)時(shí)間和峰值幅值產(chǎn)生不同的影響;同樣導(dǎo)波在透過(guò)損傷時(shí)，不同大小損傷同樣也會(huì)改變T－S0和T－A0的到達(dá)時(shí)間和幅值。而波包到達(dá)時(shí)間或者信號(hào)幅值等信號(hào)特征在后續(xù)處理過(guò)程中可以被提取出來(lái)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(guò)程中遇到非對(duì)稱(chēng)(關(guān)于結(jié)構(gòu)厚度中面)型損傷時(shí)會(huì)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(wú)損傷模型有限元仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)信號(hào)的對(duì)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(shí)驗(yàn)信號(hào)的對(duì)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(hào)對(duì)比Fig.7 The sensor signals comparison with different notch depth

通過(guò)無(wú)損傷模型信號(hào)以及9 mm×1 mm損傷模型信號(hào)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，仿真信號(hào)與實(shí)驗(yàn)信號(hào)吻合度很好。這充分驗(yàn)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(guò)數(shù)值仿真結(jié)果來(lái)研究損傷大小對(duì)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(duì)信號(hào)的影響

為清晰展現(xiàn)不同深度下傳感器的信號(hào)，分別選取了四組工況(圖7):無(wú)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(hào)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(hào)的第一個(gè)波包T－A0、T－S0。

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

對(duì)于透射信號(hào)(圖9)來(lái)說(shuō)，T－S0的到達(dá)時(shí)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(shí)到達(dá)時(shí)間也有較明顯的延遲。

綜合反射信號(hào)和透射信號(hào)來(lái)看，S0波包的到達(dá)時(shí)間對(duì)于損傷深度并不敏感，而A0波包的到達(dá)時(shí)間及幅值對(duì)深度有比較明顯的反應(yīng)。

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

從圖10、圖11來(lái)看，反射A0波包的到達(dá)時(shí)間(RA0－AT)和透射A0波包的幅值(T－A0－Amp)對(duì)于損傷深度的變化幅度最大。

3.2 損傷厚度對(duì)信號(hào)的影響

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

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

透射信號(hào)表明損傷寬度的變化對(duì)透射波包無(wú)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(shí)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(duì)較大;透射信號(hào)受損傷厚度的影響很小。

4 結(jié)論

本研究在厚度為30 mm、長(zhǎng)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(guò)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(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元仿真的有效性。通過(guò)提取不同信號(hào)特征并與損傷情況對(duì)比，得出以下結(jié)論:

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

(2)損傷反射信號(hào)波包和透射信號(hào)第一個(gè)波包對(duì)于損傷深度變化比較敏感;而透射信號(hào)對(duì)于損傷厚度的變化不敏感。

(3)從仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，A0對(duì)于損傷大小變化更為明顯，這可能來(lái)自兩個(gè)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(shí)間的延遲會(huì)表現(xiàn)更為明顯。在這種情況下，應(yīng)盡量通過(guò)基礎(chǔ)反對(duì)稱(chēng)模式A0波包的變化(信號(hào)到達(dá)時(shí)間以及波包幅值)來(lái)判斷損傷的大小。這個(gè)結(jié)論對(duì)于厚度較大的結(jié)構(gòu)有實(shí)際的參考意義。

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