導波檢測金屬構件疲勞裂紋的試驗研究

劉麗娜，錢征華，蔡晨寧

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

在航空、土木、機械等工程領域，由于長期承受交變載荷，材料疲勞損傷是導致結構(部件)服役性能退化的主要原因之一，嚴重威脅結構本身和人員生命財產的安全。如2002年5月27日，臺灣華航一架波音747客機執行最后一次航班任務從臺灣飛往香港進行大修，由于金屬腐蝕疲勞造成尾翼裂紋，飛機墜入南中國海，225人喪生[1]。因此，如何及時準確檢測并識別出結構中存在的疲勞裂紋，并進行持續監測和評估是當前各類工程結構面臨的重要課題之一。但是金屬構件從疲勞裂紋萌生到發生斷裂只發生很小的永久變形，很難事先察覺，是一種極其危險的破壞形式，且由于疲勞裂紋很細小，卸載后裂紋基本閉合，所以很難用傳統的無損檢測方法及時發現構件中的初期疲勞裂紋[2-3]，對疲勞裂紋進行準確的定性、定量表征則更困難。

結構健康監測系統是綜合性的結構監測、評估及預警系統。對結構中的局部損傷尤其是表面微小裂紋的監測是結構健康監測系統中非常重要的一部分。傳統的無損檢測技術是利用超聲波設備在結構中產生彈性波，利用檢測儀器，可以有效地探知結構中的損傷情況。然而，由于超聲波發生裝置體積龐大，安裝復雜，不適合在分布式智能結構中廣泛采用。近年來，一些學者開始研究附著或嵌入在結構中的微小壓電晶體傳感器構成分布式結構健康監測系統[4-6]，其具有對微小損傷檢測靈敏度高、適用范圍廣、抗干擾能力強、信號采集和處理方便快捷等優點，在疲勞損傷檢測研究中具有廣闊的應用前景[7]。

本文提出將導波檢測技術和先進數據處理方法(小波分析)相結合的方法，對疲勞載荷下鋁合金構件疲勞裂紋的發生和擴展進行在線的持續監測，測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，在疲勞試驗中激發和接收導波。利用連續小波變換從導波信號中提取特征，表征疲勞微裂紋的存在和擴展給出置信度，并驗證了所提出方法的有效性[8]。

1 信號處理與特征提取

在基于導波的結構健康監測中，為了表征損傷的發生和發展，需要從信號中提取損傷特征。通常損傷特征是隨損傷的發生和發展而變化的參數。對于采用的信號處理技術來說，所提取的信號特征需要能有效地保留信號的特性，并且具有良好的穩定性[9-10]。本文采用連續小波變換對導波信號進行處理，提取特征，以表明疲勞裂紋的存在和進展。信號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；上標*表示一個復雜的共軛。在本研究中，采用Gabor小波作為母小波，提供了良好的時頻分辨率。

為裂紋檢測定義了一個簡單的特征，它代表傳感器從特定的診斷勵磁接收到的能量，并由連續小波變換處理。它在時頻域中定義為：

(2)

式中，WE是小波能量的簡稱，CWT在方程式1中的定義；Vs與波信號相對應；f表示小波能量的計算頻率；[ts,te]定義了計算小波能量的時間范圍的下限和上限。

2 試驗系統

選取牌號為7075的鋁合金試件，尺寸為長500 mm×寬20 mm×厚50 mm，通過材料拉伸試驗得到鋁合金的力學性能為：抗拉強度≥560 MPa，伸長應力≥495 MPa，伸長率≥6%。為了控制鋁合金裂紋的產生部位和方向，沿軋制方向截取V形單邊缺口試樣，高度為5 mm，為了減小試件內部殘余應力對疲勞加載試驗的影響，對缺口加工后的試樣進行去應力退火，在260 ℃保溫1.5 h后水冷。在試件的表面，位于缺口兩側各30 mm處，貼有2個直徑為10 mm、厚度為1 mm的PZT壓電元件，其上下電極導線均可從上表面引出，并使用環氧樹脂膠封裝PZT壓電傳感器，分別作為驅動器和傳感器，其外形如圖1所示。在5T疲勞試驗加載系統(見圖1)上進行疲勞加載，加載頻率為6 Hz，加載波形為正弦波，采取四點等幅彎曲加載方式，載荷跨度為150 mm，支承跨度為350 mm，在最大應力σMAX≥560 MPa、應力比R=0.1條件下進行加載。在疲勞加載過程中裂紋會從缺口位置萌生，而且缺口附近位置的應力超過材料屈服強度，會產生塑性變形，該處所萌生的疲勞裂紋是彈塑性裂紋。疲勞裂紋監測系統則由美國NI公司生產的PXI-5442任意波形發生器、PXI-6115高速數據采集卡組成。在疲勞裂紋監測系統中，PXI-5442任意波形發生器發出所需的診斷信號，由PZT驅動器在試件中激勵應力波信號，經過傳播后，由PZT傳感器接收，并通過PXI-6115高速數據采集卡采樣后存儲于控制計算機用于后續分析。試驗中PXI-6115高速數據采集卡的采樣率設為10 MHz。在金屬試樣上安裝數字顯微鏡，對疲勞裂紋擴展初期形成的亞毫米級微小裂紋進行表面形貌觀察，對疲勞裂紋擴展階段試樣表面形成的宏觀裂紋，利用數碼相機對疲勞裂紋區域進行拍照，并配合軟件完成裂紋長度的測量。

3 疲勞裂紋監測結果

從材料學角度，通常將疲勞過程劃分為疲勞裂紋萌生和裂紋擴展2個階段。宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋成核、長大及連接而形成的。在確定疲勞裂紋的萌生階段時尚無統一的裂紋尺度標準，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。而對于疲勞裂紋的擴展階段，又可以細分為裂紋起始(微米量級)、短裂紋(毫米量級)和長裂紋3個階段。

為了充分了解裂紋對導波的影響，首先在初始狀態下采集基線信號。圖2a顯示了中心頻率為200 kHz的激勵信號，圖2b顯示了原始狀態下的相應波形信號。然后進行疲勞加載，隨加載周期的增加，采集導波信號。在一定的疲勞周期區間內，暫停載荷，并進行導波信號的采集。此外，利用數字顯微鏡進行裂縫觀測，為裂縫的發生和發展提供參考。在裂紋形成前，將區間設置為1 000循環，并在觀測到裂紋后，將區間設置為500循環。圖3a顯示了裂紋長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的疲勞循環中，顯微鏡觀察到長度約為0.48 mm的小裂紋。在大約8 000疲勞周期，裂紋長度顯著增加，長度約為2.67 mm。在1萬疲勞循環后，裂紋的長度增加到6 mm以上，并接近試樣的斷裂失效，從而使疲勞試驗停止。

利用小波變換對導波進行處理，以表征疲勞裂紋的發生和發展。以圖2b為例，在裂紋后的波形信號中，給出了在5 000疲勞循環中得到的波信號，并與從原始狀態得到的波信號進行了比較。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。圖4a顯示了健康信號的小波變換譜，圖4b顯示了在5 000疲勞循環開裂后的散射信號的小波變換譜。圖5顯示了在200 kHz開裂前后所獲得的波信號的小波變換。通過積分方程式(見式2)中定義的小波變換區域，可以得到每個頻率下的子波能量特征。圖5顯示了裂紋長度的變化特征，可用于表征疲勞裂紋的發生和擴展。

4 結語

本文提出了一種利用導波監測金屬疲勞裂紋的試驗方法，應用導波對結構中的疲勞微裂紋進行監測，確定疲勞裂紋產生與否。建立了由5T疲勞試驗加載裝置和數碼顯微鏡組成的試驗系統，研究載荷循環次數對應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聯關系。利用小波變換處理裂紋產生前后的應力波信號，提取信號特征，疲勞裂紋的存在進行檢測，并與實際觀測結果相吻合。試驗結果表明，提出的檢測方法能夠準確、實時地檢測出疲勞裂紋的存在。