超声Lamb波监测铝合金结构疲劳裂纹扩展实验研究.pdf
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1、王壮杰,严刚,郭树祥,等.超声 Lamb 波监测铝合金结构疲劳裂纹扩展实验研究J.机械科学与技术,2023,42(8):1366-1372超声 Lamb 波监测铝合金结构疲劳裂纹扩展实验研究王壮杰,严刚,郭树祥,汤剑飞(南京航空航天大学航空学院机械结构力学及控制国家重点实验室,南京210016)摘要:对应用超声 Lamb 波在线监测金属结构裂纹在疲劳载荷作用下的扩展进行了实验研究。制备了含中心裂纹的铝合金平板结构试件,并在试件表面布设了压电晶片传感网络。疲劳实验中,在观测裂纹扩展的同时,采用压电晶片分别进行 Lamb 波信号的激励和接收,监测驱动器与传感器间的疲劳裂纹扩展行为。通过时域信号处理
2、提取了 Lamb 波信号峰值点的幅值(AMP)与传播时间(ToF)特征,由柯西隶属度函数定义了改进的信号健康度指标及相应的损伤指标,并评估了健康度指标和损伤指标随裂纹扩展的变化趋势。最后,结合损伤概率成像方法,融合 Lamb 波激励-接收路径的所有损伤指标,近似表征了裂纹长度的变化,验证了该方法的可行性和有效性。关键词:裂纹扩展监测;超声 Lamb 波;健康度指标;损伤指标;损伤存在概率成像中图分类号:V214.4文献标志码:ADOI:10.13433/ki.1003-8728.20220084文章编号:1003-8728(2023)08-1366-07Experimental Study o
3、n Monitoring of Fatigue Crack Growth forAluminum Alloy Structure with Ultrasonic Lamb WavesWANGZhuangjie,YANGang,GUOShuxiang,TANGJianfei(StateKeyLaboratoryofMechanicsandControlofMechanicalStructures,CollegeofAerospaceEngineering,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing210016,China)Abstrac
4、t:Thispaperpresentsanexperimentalstudyonon-linemonitoringofcrackgrowthinmetalstructuresunderfatigueloadingbyusingultrasonicLambwaves.Analuminumalloyplatestructurewithacentralcrackismanufacturedandanetworkofpiezoelectricwafersaremountedonthesurfaceoftheplate.Duringtheprocessoffatiguetest,piezoelectri
5、cwafersareusedtoexciteandreceiveLambwavesignalstomonitorthefatiguecrackgrowthbehaviorbetweentheactuatorsandthesensors,mean-while,thecracklengthisobservedinreal-time.Withtimedomainsignalprocessing,thefeaturesofamplitude(AMP)andtimeofflight(ToF)featuresatthepeakpointsofLambwavesignalsareextracted.Anim
6、proveddegreeofhealthindexandcorrespond-ingdamageindexaredefinedthroughCauchymembershipfunction,andtheirvariationswiththecrackgrowthareevaluated.Finally,theDIsinallexcitation-receivepathsarefusedbythedamagepresenceprobabilityimagingmethodtoapproximatelycharacterizethevariationsofcracklengths,provingt
7、hatthealgorithmproposedinthispaperisfeasibleandeffective.Keywords:crackgrowthmonitoring;ultrasonicLambwaves;degreeofhealthindex;damageindex;damagepresenceprobabilityimaging铝合金因具有良好的加工性能、力学性能和耐腐蚀性能,在飞机结构制造中得到了越来越多的的应用。但铝合金结构大都存在微小的初始缺陷,在长期服役过程中产生周期性硬化和软化,容易发生裂纹萌生和疲劳扩展,严重威胁结构安全1-2。随着结构健康监测技术的发展,以各自独立的
8、传感元件为基础的监测方法已难以满足工程监测中的要求,因此,采用集成的分布式的传感元件网络得到了越来越多的应用。分布式的传感元件网络能获取大量的数据,通过先进的信号处理方法将这些数收稿日期:2021-09-06基金项目:国家自然科学基金项目(11602104)与南京航空航天大学基本科研业务费项目(NS2021002)作者简介:王壮杰(1994),硕士研究生,研究方向为结构疲劳断裂,通信作者:郭树祥,副教授,硕士生导师,2023 年8 月机械科学与技术August2023第 42 卷第 8 期MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineering
9、Vol.42No.8http:/ Lamb 波作为一种弹性导波,由于其在平板结构中独特的传播特性,可以将其与压电材料结合,通过压电元件激励和接收超声Lamb 波用于裂纹等损伤的监测和识别5-7。超声 Lamb 波被用于监测金属结构中裂纹的基本思路是:裂纹会改变结构的局部力学性能,对结构中传播的超声 Lamb 波产生散射、衍射等作用,传感器接收到的 Lamb 波信号也会随之发生一些幅值、相位的变化;反之,利用先进的信号处理技术从Lamb 波中提取出与损伤相关联的信号特征,就能反映裂纹的真实情况。Su 等将 Lamb 波的线性和非线性特征融合在一起,实现了从微观裂纹到宏观裂纹的多尺度损伤监测8。张
10、正刚等采用二维傅里叶变换方法计算 Lamb 波原始模态与变换模态的能量百分比,定量分析了能量百分比与裂纹深度的关系9。Zhou 等提出了一种利用时间反转算子(DORT)分解与非线性 Lamb 波相结合的方法,实现了裂纹选择性检测与定位10。杨伟博等分析在役飞机的平尾大轴,从幅值和相位变化的角度选取了 4 种损伤因子,研究了其对裂纹深度的表征能力11。Wang 等从Lamb 波数据中提取了归一化的能量、相变和相关系数 3 个损伤敏感特征,用于量化裂纹尺寸与训练数据驱动模型12。上述研究只是对铝合金静态裂纹的监测,难以满足疲劳裂纹的监测需求,因此需要发展更合理的疲劳裂纹监测方法。对应用超声 Lam
11、b 波在线监测金属结构中裂纹在疲劳载荷作用下的扩展进行了研究。通过对Lamb 波信号的时域特征进行分析,提出一种改进的健康度指标和相应的损伤指标,表征疲劳裂纹扩展,并结合损伤概率成像方法近似识别疲劳裂纹长度。进行了含中心裂纹铝合金平板结构疲劳实验,验证了所提出方法的有效性。1 实验研究 1.1实验结构与监测系统实验的试件为 500mm210mm的 7075 铝合金平板结构,实验主体区域厚度为 3mm,两端做了加厚与开孔设计,便于在 MTSLandmark370.20 疲劳试验机上安装和加载。试件中心采用线切割的方法预制了 10mm 的穿透型裂纹,并在裂纹上下表面采用环氧树脂胶粘贴两排相距 15
12、0mm 的 P-51 压电晶片作为激励和接收超声 Lamb 波信号的传感器。每排 8 个压电晶片,直径和厚度分别为 10mm和 1mm,相邻的两个压电晶片的中心距离为 15mm。图 1 是铝合金平板结构表面传感器的分布图。300 mm150 mm压电晶片编号15 mm210 mm初始裂纹 10 mm图1试件尺寸与传感器分布Fig.1Specimendimensionsandsensordistribution超声 Lamb 波裂纹监测系统主要包括数据交换机与 KH-7600 宽频功率放大器,其中数据交换机是由 NI-PXI-5441 任意函数发生器、NI-PXI-5105 数字化仪以及嵌入式控
13、制器集成的信号激励-采集系统。实验过程中,利用控制软件通过 PXI-5441 任意函数发生器将所需的超声 Lamb 信号发出,通过KH-7600 宽频功率放大器放大后,驱动压电晶片在铝合金试件中激励 Lamb 波。Lamb 波在试件中传播并与裂纹相互作用后,再由其他压电晶片感应并接收,通过 PXI-5105 数字化仪采集并记录至控制器硬盘以供分析提取信号特征,获取裂纹信息。1.2疲劳试验过程如图 2 所示,通过 MTSLandmark370.20 疲劳试验机对铝合金平板结构试件施加循环载荷,并采用数码高倍显微镜观测和记录裂纹的扩展。在应力比 R=0.1、加载频率 f=5Hz、最大疲劳载荷 Pm
14、ax=45kN 的条件下加载。此时试件中名义应力约为75MPa,远低于 7075 铝合金屈服强度。铝合金试验件超声 Lamb 波裂纹监测系统MTS Landmark370.20疲劳试验机图2疲劳试验现场Fig.2Fatiguetestsite图 3 所示为试件在不同疲劳循环下通过数码高倍显微镜观察得到的裂纹长度变化情况。从图中可看出,随着疲劳循环的增加,铝合金平板裂纹不断向左右两侧扩展,且扩展速率逐渐上升。在 38200 次循环时,试件的裂纹长度达到了极限值,出现了脆性断裂。第8期王壮杰,等:超声 Lamb 波监测铝合金结构疲劳裂纹扩展实验研究1367http:/ Lamb 波裂纹监测系统实现
15、信号的激励与采集。疲劳试验过程中,018000 次疲劳循环期间,每 3000 次疲劳循环停机进行一次激励与信号采集。18000 次疲劳循环至 30000 次疲劳循环期间,每 2000 次疲劳循环停机进行一次激励与信号采集。30000 次疲劳循环后,每 1000 次疲劳循环停机进行一次激励与信号采集。停机进行激励与信号采集过程中,依次激励 16 个通道的压电晶片,采集其他压电晶片接收到的 Lamb 波。实验采用中心频率为 250kHz 的窄带调制五波峰正弦信号作为驱动压电晶片的激励信号,该信号的时域波形和频谱分布如图 4 所示。048121620时间/s21012幅值/mVa)激励信号时域波形5
16、0150 250 350 450频率/kHz00.20.40.60.81.0归一化幅值b)激励信号频谱分布图4中心频率为 250kHz 的窄带正弦波激励信号Fig.4Thenarrowbandsinusoidalexcitationsignalwithacenterfrequencyof250kHz图 5 所示为试件上压电晶片传感网络覆盖的监测区域和对应的所有 Lamb 波传感路径。传感路径压电晶片12345678910111213141516图5Lamb 波传感路径分布Fig.5Lambwavesignalsunderdifferentfatiguecycles图 6 所示为激励-接收路径
17、311 上传感器在不同疲劳循环下的接收到的 Lamb 波信号。可以看出,随着疲劳循环次数的增加,不同传感路径的Lamb 波信号出现了不同的变化情况,这种变化与试件中疲劳裂纹扩展存在联系。因此,需要对 Lamb波信号进行处理,提取 Lamb 信号特征,获取有关裂纹的信息,进而表征疲劳裂纹扩展。305070901101301500.50.40.30.20.100.10.20.30.40.5幅值/mV0 循环次数12 000 循环次数24 000 循环次数36 000 循环次数时间/sa)路径 19305070901101301500.50.40.30.20.100.10.20.30.40.5幅值/
18、mV0 循环次数12 000 循环次数24 000 循环次数36 000 循环次数时间/sc)路径 311幅值/mV0 循环次数12 000 循环次数24 000 循环次数36 000 循环次数0.30.20.100.10.20.330507090110130150时间/sb)路径 210幅值/mV0.30.20.100.10.20.330507090110130150时间/sd)路径 4120 循环次数12 000 循环次数24 000 循环次数36 000 循环次数图6不同疲劳循环下的 Lamb 波信号Fig.6DistributionofLambwavesensingpaths1368机
19、械科学与技术第42卷http:/ 超声 Lamb 波信号处理与损伤识别 2.1信号特征与损伤指标信号特征是指具有良好稳定性、易于分析且随疲劳裂纹扩展变化的参数。超声 Lamb 波信号时域的 AMP(幅值)与 ToF(传播时间)信号特征以其直观、简便和计算效率高等优点而被广泛应用在损伤监测领域13-14。Sergio 等15曾借助模糊逻辑的概念,提出一种使用梯形隶属度函数结合 ToF 特征的结构健康描述方法,进而表征了结构在损伤前后的损伤扩展。但梯形隶属度函数属于高阶不连续的分段函数,函数的参数过于依赖于用户自定义。为了提高损伤指标计算的连续性以及降低损伤指标的参数依赖性,本文提出采用柯西型隶属
20、度函数16对Lamb 波信号特征的健康度指标进行改进,描述信号各个峰值点 AMP 与 ToF 特征的健康度,从而定义新的损伤指标用于对疲劳裂纹进行表征和识别。信号特征具体分析步骤如下:首先选择一条传感路径分析,在疲劳加载前进行一次信号激励和接收采集,记录为基线信号。然后提取基线信号中每个峰值点的 AMP 与 ToF 特征,之后在每个峰值点附近建立柯西型函数描述损伤后峰值点传播时间与峰值大小的变化情况,其中幅值的阈值大小由基线信号峰值大小决定,这里取最大峰值的 20%。最后将损伤时刻信号峰值点的 AMP 与 ToF 代入隶属度函数计算,得到损伤信号的 AMP 与 ToF 健康度。AMP 与 To
21、F 的健康度的计算式分别为:Dij=11+ToFijToFbij(1)Vij=11+AMPijAMPbij(2)ToFbijAMPbij,式中:Dij为第 i 个信号的第 j 个峰值点的 ToF 健康度;Vij为第 i 个信号的第 j 个峰值点的 AMP 健康度;和分别为基线信号峰值点的 ToF 和AMP 值;均为分布函数形态的控制参数。0.2 11+(ToFToFmax)0.8(3)0.2 11+(AMPAMPmax)0.8(4)ToF,ToFAMP=8,=1108,=1109当峰值点的 ToF 特征偏移程度达到时,应满足式(3)要求,取=1%,即 ToF 改变量达到 1%时,认为 ToF
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