人工脫粘結構界面脫粘原位高頻振動監檢測方法①

葉子航，張守誠，肖 黎，屈文忠，沙寶林

(1.武漢大學 工程力學系，武漢 430072；2.中國航天科技集團有限公司四院四十一所，西安 710025)

0 引言

人工脫粘層是在固體發動機殼體前后封頭特定部位絕熱層之間預先設計的應力釋放結構，主要功用是降低發動機藥柱內孔、藥柱粘接界面等部位的應力-應變水平，使整個藥柱處于良好受力狀態然而在人工脫粘層根部會出現很高的應力區，人工脫粘結構很可能因為界面正應力過大而發生脫粘損傷，影響發動機的結構完整性和可靠性。因此，對人工脫粘結構界面狀態的監檢測具有重要意義。

針對固體發動機人工脫粘結構界面脫粘問題，相關學者進行了一系列研究。徐瑞強等通過計算頭部人工脫粘部位界面之間的接觸正應力，對人工脫粘前緣部位進行了脫粘分析。張曉宏等探討了人工脫粘層前緣的應力水平及界面脫粘的快速近似計算方法。田俊良等利用三維有限元方法，研究了人工脫粘面蓋層與絕熱層之間的接觸滑動問題。劉偉等基于線性粘彈性有限元方法，研究了人工脫粘層在不同溫度下的應力-應變。張南南等提出了一種絕熱層脫粘的紅外無損檢測建模方法。高鳴等利用粘接應力傳感器，設計了固體發動機粘接界面應力監測系統。關楨等采用X射線照相和工業CT技術檢測了人工脫粘層根部脫粘的三維位置和尺寸。然而，傳統檢測方法如紅外檢測技術、X射線檢測技術、超聲檢測技術有時會受到結構和現場條件的限制，無法對人工脫粘層進行原位、實時的結構健康監測。近年來，一種新興的損傷監檢測方法即機電阻抗法，利用粘貼于結構表面的壓電傳感器及其機電耦合特性，可實現對結構健康狀態的原位、實時、在線監測。作為一種結構損傷識別方法，機電阻抗法的應用范圍非常廣泛。ZUO等將機電阻抗法用于管道裂縫檢測，并采用損傷指標量化表征以確定損傷的程度和位置。KUZNETSOV等利用機電阻抗法成功識別直升機機翼的螺栓松動。ROTH和NA等分別研究了使用機電阻抗法檢測航空結構和玻璃環氧復合材料板的粘合層脫粘。此外，機電阻抗法還能用于監測混凝土固化過程中的應力和強度變化。

本文將機電阻抗法改進為針對人工脫粘結構的高頻局部振動方法，并通過試件級實驗，研究了高頻局部振動方法在人工脫粘結構界面脫粘監檢測中的應用。實驗結果顯示，界面脫粘將導致高頻局部振動響應曲線發生變化，且隨著脫粘程度的增大曲線變化越明顯。此外，研究發現高頻局部振動方法具有較強的溫度敏感性。利用有效頻移方法基本消除了溫度對高頻局部振動方法的影響，避免了損傷誤報。

1 高頻局部振動方法的原理

高頻局部振動方法采用壓電晶片粘貼布置在人工脫粘結構上，如圖1所示。

測試系統中的信號激勵模塊以激勵信號使得壓電晶片產生機械振動，壓電晶片與人工脫粘結構相互作用并產生包含結構損傷信息的機械振動耦合信號，機械振動耦合信號通過所述壓電晶片傳輸至信號采集模塊并由系統軟件計算得到高頻局部振動響應信號，最后通過比較健康狀態和損傷狀態下高頻局部振動響應曲線的變化，實現對人工脫粘結構界面脫粘的原位、實時、在線監檢測。

圖1 人工脫粘結構高頻局部振動方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of high-frequency local vibration method for stress release boot

其中，壓電晶片利用正逆壓電效應同時作為驅動器和傳感器，在忽略磁場和溫度影響的情況下，壓電晶片的壓電方程(式(1)為逆壓電效應；式(2)為正壓電效應)可表示為

根據壓電效應，壓電晶片在正弦交流電壓的激勵下產生相應的機械振動，振動傳入人工脫粘結構并產生機械振動耦合信號，機械振動耦合信號經過采集和處理得到高頻局部振動響應(Local vibration response,LVR)，其表達式為

(3)

式中()為高頻局部振動響應信號；j為虛數單位；為角頻率；為壓電晶片的電容；為平面耦合系數；為機電耦合系數；為施加在壓電晶片上的電場強度；為徑向耦合位移；為壓電晶片的半徑。

根據式(3)，高頻局部振動響應信號與結構參數有關，當人工脫粘結構發生界面脫粘損傷時，結構參數和高頻局部振動響應信號將產生相應的變化。因此，可根據高頻局部振動響應信號的變化，實現對人工脫粘結構界面脫粘的原位、實時、在線監檢測。

在評估人工脫粘結構的健康狀態時，可直接觀察高頻局部振動響應曲線的變化，但得到的結果只是定性的。為更直觀明確地判斷人工脫粘結構的狀況，有必要引入損傷量化指標。本文采用均方根偏差(Root mean square deviation, RMSD)對結構損傷程度進行量化表征。均方根偏差是計算數據偏差的一種統計方法，該方法通過直接計算偏差進行損傷識別，其定義為

(4)

式中,1為人工脫粘結構健康時測得的高頻局部振動響應信號；,2為人工脫粘結構損傷時測得的高頻局部振動響應信號；為數據點的數量。

的值越大，說明兩組數據的差別越大，即表示損傷越嚴重。

2 人工脫粘結構絕熱層/藥柱脫粘監檢測

本節利用高頻局部振動方法，進行了人工脫粘結構的絕熱層/藥柱界面脫粘監檢測實驗。圖2所示是絕熱層/藥柱試件，其中絕熱層的尺寸為185 mm×75 mm×2.6 mm，藥柱尺寸為120 mm×45 mm×20 mm。壓電晶片的型號為PZT-5A(STEMINC Ltd)，直徑為12 mm，厚度為0.6 mm。利用環氧樹脂膠將壓電晶片粘貼在試件的絕熱層外表面，并用Kapton膠帶對壓電晶片進行防護。

(a)Top view

(b)Front view圖2 絕熱層/藥柱試件Fig.2 Insulator/propellant specimen

實驗裝置采用壓電晶片原位高頻主動激勵測試系統，該系統可以實現高頻局部振動響應信號的連續監測和信號處理等功能。測試系統的型號為NI PXIe-1082，其中包括PXIe-6124采集/激勵模塊。系統軟件通過LabVIEW編程開發，借助NI-DAQmx提供的硬件驅動接口，可方便地對PXIe-6124的采集與激勵功能進行控制編程。

結合每個頻率的正弦波頻域信號、機械振動頻域信號，根據高頻局部振動響應計算式得到第個頻率的高頻局部振動響應信號數組()：

(5)

()={(,1),(,2)，…，(,)，…，(,)}

∈[0,],∈[1,]

(6)

根據第個頻率的高頻局部振動響應信號數組()，可進一步計算高頻局部振動響應信號數據集：

={(0,),(1,)…,(,),…(,)}

(7)

=()∈[0,]

(8)

式中為高頻局部振動響應信號數據集；(,)為數組()的第個元素；為測試系統的采樣頻率；為第個頻率的信號周期。

實驗過程中，共研究了以下4種工況：(1)無脫粘(完整狀態)；(2)脫粘面積為30×45 mm；(3)脫粘面積為60×45 mm；(4)脫粘面積為90×45 mm。圖3展示了不同工況下的脫粘損傷位置，從虛線到左邊緣即為該工況的脫粘區域。

圖3 不同工況下的脫粘損傷位置Fig.3 Location of debonding damage under different working conditions

利用測試系統對壓電晶片持續施加2 V的激勵電壓，選取100～400 kHz的掃頻范圍，設置頻率點數為1001個，由壓電晶片測量得到高頻局部振動響應信號，每種工況測量4次，經過平均得到各種工況下的高頻局部振動響應曲線，如圖4所示。

圖4 高頻局部振動響應曲線Fig.4 High-frequency local vibration response curves

從圖4可看出，即使測試對象是高阻尼的絕熱層/藥柱試件，高頻局部振動響應信號的頻率成分仍然較豐富，健康狀態下的響應曲線與損傷工況下的響應曲線存在明顯差異，并未出現共振峰數量過少、信號對損傷不敏感的現象。由于界面脫粘損傷的產生，曲線波峰和波谷處的值發生顯著的變化。界面脫粘程度越大，高頻局部振動響應曲線的差別越明顯。

本實驗利用均方根偏差值()對不同工況下的界面脫粘損傷進行定量分析。圖5是以工況1的高頻局部振動響應信號為基準，根據式(4)計算得到工況2～工況4各次測量的損傷指標統計值，圖中各工況的4條顏色柱代表同種工況的重復測量。

圖5 不同工況的損傷指標RMSD統計值Fig.5 RMSD statistics of damage index under different working conditions

圖5顯示了壓電晶片測得各工況的值，其中工況2多次測量的平均值為11.14%，工況3和工況4相應的平均值分別為14.62%和15.03%，在工況3、工況4中，壓電晶片下方相應位置的絕熱層已經完全與藥柱分離，此時壓電晶片只與絕熱層發生耦合振動作用，導致工況3、工況4的值相近，且相對工況2出現增長，據此可判斷人工脫粘結構已經發生了絕熱層/藥柱界面脫粘。

實驗結果表明，利用高頻局部振動方法，通過比較不同工況下的高頻局部振動響應曲線和損傷統計指標，能實現對人工脫粘結構絕熱層/藥柱界面脫粘的原位、實時、在線監檢測。

3 溫度對高頻局部振動方法的影響研究

3.1 溫度影響相關實驗

為探究溫度對高頻局部振動方法的影響，在溫變工況下對絕熱層/藥柱試件進行了測試。將絕熱層/藥柱試件(規格與圖2相同)放入高低溫交變試驗箱(型號LRHS-504B-LJ)中，模擬環境溫度變化。通過壓電晶片原位高頻主動激勵測試系統得到不同工況下的高頻局部振動響應曲線，各工況下溫度箱的溫度設置與脫粘損傷程度如表1所示。

表1 各工況下溫度箱的溫度設置與脫粘損傷程度

在每種工況下，將試件放置于高低溫交變試驗箱內一段時間，待結構整體溫度穩定后再進行數據采集。激勵電壓設為2 V，掃頻范圍設為300～400 kHz，頻率點數1001個。圖6是H工況、T1～T3工況下的高頻局部振動響應曲線，體現了溫度對高頻局部振動響應信號的影響。

圖6 溫度影響下完好試件的高頻局部振動響應曲線Fig.6 High-frequency local vibration response curves of intact specimensunder the influence of temperature

從圖6可看出，即使試件結構處于健康狀態，高頻局部振動響應信號仍然發生了較大變化，隨著溫度的升高，曲線向左偏移而整體趨勢不變。與工況H相比，溫度差越大，曲線的偏移量越多。

為量化表征溫度、脫粘損傷對高頻局部振動響應信號的影響，以工況H的高頻局部振動響應信號為基準，根據式(4)計算得到工況T1～T3、工況D1～D3的損傷指標，如圖7所示。

圖7 不同工況的損傷指標RMSD統計值Fig.7 RMSD statistics of damage index under different working conditions

圖7顯示，當溫差僅為6 ℃時，T1工況下的指標即達到了14.8%，高于D1～D2損傷工況下的相應指標；T2工況下，溫差為8 ℃時，指標為20.82%，已高于D1～D3損傷工況下的數值。綜合以上分析，高頻局部振動方法具有較強的溫度敏感性，溫度變化會影響高頻局部振動方法對于界面脫粘損傷的識別能力，若不采取相應的補償措施，將導致損傷誤報。

由于溫度變化會引起高頻局部振動響應曲線的整體偏移，因此可采用有效頻移方法，對溫度變化后的曲線進行反向移動，消除溫度影響。

當高頻局部振動響應信號受溫度升高影響向左偏移時，具體的補償算法為

()()=-1(-)

(9)

同理，當高頻局部振動響應信號受溫度降低影響向右偏移時，具體的補償算法為

()()=-1(+)

(10)

式中為測量的頻率步長；下標為迭代次數。

每迭代一次，通過式(4)計算變化后的高頻局部振動響應信號與基準信號間的均方根偏差值。經過充分迭代后，可獲得的最小值，使補償后的高頻局部振動響應信號與基準信號間的差異降至最小，從而實現溫度補償。

3.2 溫變工況下的脫粘損傷識別

結合上節所述溫度補償思想，進行了溫變工況下的絕熱層/藥柱界面脫粘監檢測實驗。以溫度箱設置為20 ℃，試件結構處于健康狀態時為基準工況H，研究了不同工況下高頻局部振動響應信號的變化，實驗工況設置如表2所示。

表2 實驗工況設置

每種工況的掃頻區間仍為300～400 kHz，為驗證溫度補償的有效性，將T1～T3工況(分別對應24、32、36 ℃)的信號補償至20 ℃，補償前后的高頻局部振動響應曲線如圖8所示。由于平移會導致頻率邊界發生變化，因此截取320～400 kHz頻段進行展示。

(a)Before temperature compensation

(b)After temperature compensation圖8 溫度補償前后的高頻局部振動響應曲線Fig.8 High-frequency local vibration response curves before and after temperature compensation

根據式(4)，將工況T1～T3、工況Q1～Q3、工況S1～S3、工況L1～L3直接與工況H相比較，可得到溫度補償前的損傷指標；以工況H為基準參考數據，對上述各工況的數據進行平移后，計算得到溫度補償后的損傷指標。圖9顯示了在24、32、36 ℃工況下溫度補償前后的值。

(a)24 ℃

(b)32 ℃

(c)36 ℃圖9 溫度補償前后不同工況的損傷指標RMSD值Fig.9 RMSD statistics of damage indexunder different working conditions before and after temperature compensation

如圖9所示，工況T1～T3表示溫度變化對健康結構的影響。對于24 ℃的各工況，溫度補償前僅有工況Q3的損傷指標大于工況T1所對應的損傷指標，無法識別出工況Q1、Q2的損傷；對于32 ℃的各工況，溫度補償前僅有工況S2、S3的損傷指標大于工況T2所對應的損傷指標，無法識別出工況S1的損傷；對于36 ℃的各工況，溫度補償前僅有工況L3的損傷指標大于工況T3所對應的損傷指標，無法識別出工況L1、L2的損傷。

當溫度補償算法作用于高頻局部振動響應信號后，各工況下的損傷指標均有一定程度的下降，表明溫度的影響得到了削弱。此時，工況Q1～Q3、S1～S3、L1～L3的損傷指標分別大于工況T1、T2、T3的指標，各溫度下三種不同程度的脫粘損傷均能識別出來。因此，溫度補償算法基本消除了溫度對高頻局部振動方法的影響，避免了損傷誤報。

4 結論

(1)實驗結果顯示，界面脫粘導致高頻局部振動響應曲線共振頻率發生偏移，且共振頻率點處峰值產生變化，損傷指標值隨著界面脫粘程度的增大而增大，表明高頻局部振動方法可實現對人工脫粘結構試件界面脫粘的原位、實時、在線監檢測。

(2)研究溫度對高頻局部振動方法的影響發現，高頻局部振動方法具有較強的溫度敏感性，溫度影響可能造成損傷誤報。利用有效頻移方法對溫度變化后的高頻局部振動響應曲線進行了溫度補償，實現了溫變工況下的界面脫粘損傷識別。