基于超聲導波的結構損傷識別方法與技術研究

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 國家工程技術研究中心，山東青島 266111)

我國高速鐵路具有跨越區域廣、使用環境多等特點，使得高速列車運用環境復雜，列車關鍵結構部件容易因此產生疲勞和損傷，對車輛運營造成安全隱患，影響國家人民生命財產安全。因此，實時監測列車關鍵結構件的運行狀態，獲取關鍵部件的損傷信息數據，實現車輛安全運營預警，對保障高速、載人、長期運行的高速列車安全穩定運行具有十分重要的意義[1-2]。

超聲Lamb波作為超聲導波的一種，能夠在固體板中進行長距離傳播且能量衰減較小，對于結構內部損傷較敏感，抗干擾能力強，穿透能力強，常用于結構損傷識別和監測[3-4]。南京航空航天大學袁慎芳等課題組，基于超聲Lamb波開展了在線實時監測飛機連接件的疲勞狀態研究，結果表明利用超聲Lamb波進行結構健康監測不僅預測精度高，而且能夠節約維修成本，提高系統運行的安全性[5-6]。北京航空航天大學何晶靖等課題組，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測[9]。綜合上述分析可知，在結構健康監測技術中超聲導波對小損傷的敏感性較高和對區域的監測能力較強[10-11]，已為航空航天關鍵結構件疲勞損傷在線實時監測提供了有效方法，因此可以作為高速列車大型結構件安全監測的理想手段。

本文針對高速列車關鍵結構健康狀態在線監測的問題，提出了超聲導波結構損傷識別方法，研發基于超聲導波損傷識別監測系統。基于監測需求，設計壓電傳感器，開發研制配套的超聲導波檢測儀。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波經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計的超聲導波監測系統的可行性和監測結果的準確性。本系統的研制與應用對高速列車關鍵結構運行狀態實時準確監測具有重要的意義。

1 損傷裂紋超聲導波檢測機理

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生的新型波，根據粒子振動的類型可以將Lamb 波劃分為對稱模態和反對稱模態，如圖1所示。

圖1 對稱模態和反對稱模態

在彈性力學中，根據Helmholtz原理和勢函數法，Lamb波在各向同性介質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；

ψ——矢量勢函數；

x——波傳播距離。

根據波動方程解得，

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；

k——波數；

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波信號在結構健康檢測中的傳播過程，信號采集往往是在時間域內完成的，Lamb波信號各模態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；

f(t)——超聲時域信號；

i——虛數；

e——底數；

φ(t)——相位。

3.2 相關系數分析

相關系數只與兩信號的波形相似度有關，與信號的幅值變化無關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系數，表達式如下：

(7)

其中，

(8)

(9)

式中：CXY——兩信號的協方差，

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系數。

損傷系數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生變化，通過計算疲勞裂紋信號與健康信號相關系數，可以量化損傷系數與裂紋長度之間的關系，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 系統設計

圖5為壓電超聲導波損傷識別系統示意圖。壓電超聲導波損傷識別系統由被測結構件、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構件易疲勞區域的表面，檢測儀發送一定頻率的超聲導波信號，經激勵傳感器耦合到待測結構件中，導波信號經過損傷時，信號特征參數發生變化，由接收傳感器接收損傷信號，經導線傳回到檢測儀，結合計算機進行數據處理，實現損傷識別。

圖5 壓電超聲導波損傷識別系統示意圖

為了提高損傷識別精度，綜合考慮了傳感器的粘貼位置，結合超聲導波在結構件中的頻散曲線以及各模態的群速度，選用超聲導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點，能夠準確識別出待測結構件的損傷狀態。

基于固體中超聲導波的傳播原理設計壓電超聲導波檢測儀，該檢測儀有兩個通道：發送端和接收端，發送端發送中心頻率為160 kHz的超聲導波信號，接收端接收經過待測結構件的導波信號。

5 試驗結果與分析

以鋁合金板結構為研究對象，基于設計的壓電超聲導波損傷識別系統開展高速列車關鍵承載結構件的損傷識別。

5.1 仿真分析

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

圖6 鋁合金板結構有限元仿真

圖7 損傷系數、歸一化幅值、相位延遲與裂紋長度變化關系

通過有限元仿真分析發現，超聲導波在經過疲勞損傷區域時，由于損傷區域對信號產生了阻礙作用，從而導致信號能量發生衰減，時間發生延遲，信號整體發生畸變。

5.2 試驗驗證

在本實驗中，傳感器布局選擇單邊pitch-catch模式，該模式中的驅動器和傳感器位于鋁板上裂紋的兩側，傳感器采集到的響應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，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，損傷系數也隨之增大，如圖10所示，利用損傷系數的變化曲線實現對疲勞損傷的識別。

圖9 不同階段疲勞損傷差信號

圖10 不同階段損傷系數變化曲線

6 結論

為了滿足高速列車關鍵結構的疲勞損傷實時監測需求，本文設計了基于超聲導波的鋁合金板結構疲勞損傷監測系統，文中對超聲導波損傷檢測機理、系統設計和疲勞加載試驗進行了詳細介紹，具體包括：

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

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

(3)開展了疲勞加載試驗，對監測系統得到的數據進行分析，驗證了所設計的超聲導波監測系統能夠滿足高速列車關鍵結構的疲勞損傷監測需求。