劉永軒沈書乾李 偉

(1.大連民族大學(xué) 機電工程學(xué)院,大連 116600；2.中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院HSE重點實驗室,北京 100000；3.東北石油大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院,大慶 163318；4.廣東省特種設(shè)備檢測研究院茂名檢測院,茂名 525000)

隨著社會經(jīng)濟(jì)、工業(yè)生產(chǎn)的蓬勃發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種機械設(shè)備得到了越來越廣泛的應(yīng)用，鋼鐵和鋁等金屬及其合金也得到了大量應(yīng)用[1]，但由于承受載荷的復(fù)雜性和不確定性，金屬板材內(nèi)部易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，從而產(chǎn)生安全隱患[2]，對金屬構(gòu)件的安全評價及檢測也變得非常重要。電磁聲發(fā)射技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種全新的無損檢測技術(shù)，可以用來對金屬薄板進(jìn)行損傷檢測及評價[3]。

美國物理聲學(xué)公司的學(xué)者FINKEL等[4]首次激發(fā)出了電磁聲發(fā)射信號,并理論說明了確定電流脈沖和外部磁場參數(shù)的可能性。陳中劍等[5]在2005年利用有限元法對電磁聲發(fā)射技術(shù)的耦合場進(jìn)行了分析。張闖等[6]利用大電流直接加載的方式進(jìn)行了聲發(fā)射試驗，研究了脈沖大電流的幅值、持續(xù)時間等電磁加載參數(shù)的變化對電磁聲發(fā)射信號的影響規(guī)律。金亮等[7]建立了電磁聲發(fā)射有限元分析模型，分析了缺陷頂點的形變隨激勵電流的變化規(guī)律，論證了渦流激勵聲發(fā)射的可行性。

筆者以實驗室內(nèi)建立的電磁聲發(fā)射檢測試驗平臺為基礎(chǔ)[8]，利用多物理場仿真軟件分析不同尺寸裂紋洛倫茲力的變化規(guī)律，并對鋁板裂紋進(jìn)行了電磁聲發(fā)射檢測試驗，采用小波包分析方法對電磁聲發(fā)射信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析裂紋尺寸的變化對聲發(fā)射信號的影響，對仿真結(jié)果加以驗證，為電磁聲發(fā)射技術(shù)的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 電磁聲發(fā)射有限元分析

1.1 模型的建立及求解

為了研究裂紋長度、深度對洛倫茲力的影響，建立了有限元幾何模型，設(shè)置AC/DC模塊中的磁場接口作為待求解物理場[9]，以及采用電路接口來模擬電路中的正弦激勵電流。激勵線圈為多匝空心圓柱線圈，導(dǎo)線直徑為0.5 mm，線圈內(nèi)徑、外徑、高度分別為6,10,20 mm,線圈匝數(shù)為160。電磁激勵電流、頻率分別為5 A，25 kHz，線圈提離高度為1 mm。線圈、鋁板材料以及空氣層選取COMSOL軟件材料庫中的Copper、Aluminum和Air。模型中線圈、鋁板、裂紋以及空氣層設(shè)置為同軸對稱。網(wǎng)格劃分采用自由剖分四面體網(wǎng)格，設(shè)置瞬態(tài)求解器進(jìn)行物理場求解[10]。

1.2 不同裂紋尺寸對洛倫茲力的影響

裂紋尖端洛倫茲力分布云圖如圖1所示，在裂紋尖端處有受力集中的現(xiàn)象。

圖1 裂紋尖端洛倫茲力分布云圖

圖2 不同裂紋長度時裂紋尖端處的洛倫茲力密度曲線

圖3 不同裂紋深度時裂紋尖端處的洛倫茲力密度曲線

研究不同裂紋尺寸對洛倫茲力變化的影響，圖2，3分別為不同裂紋長度和深度下的裂紋尖端處的洛倫茲力密度曲線。在圖2中，裂紋長度分別為3.5，4.0，4.5，5.0，5.5 mm，裂紋深度、寬度分別為2，0.5 mm；在圖3中，裂紋深度分別為1，2，3，4，5 mm，裂紋長度、寬度分別為5，0.5 mm。觀察曲線可知，隨著裂紋長度的增加，裂紋尖端處所受的洛倫茲力逐漸變大；隨著裂紋深度逐漸增加，靠近試件表面1 mm以內(nèi)的洛倫茲力的變化趨勢基本相同，但根據(jù)力矩原理，裂紋深度越大，作用力的力臂越大，洛倫茲力對裂紋的作用效果增強[11]。

2 試驗方法

對含不同長度和不同深度裂紋的兩組試件進(jìn)行電磁聲發(fā)射試驗。鋁板試件表面裂紋外觀如圖4所示。通過電磁激勵線圈在鋁板內(nèi)部激勵產(chǎn)生脈沖信號，再通過聲發(fā)射系統(tǒng)采集、存儲試驗信號。

圖4 鋁板試件表面裂紋外觀

考慮到試驗噪聲的影響，首先將激勵線圈放置在無缺陷位置，測量機械噪聲以及電磁噪聲，得到無缺陷時的聲發(fā)射信號，然后對不同裂紋尺寸進(jìn)行電磁聲發(fā)射試驗。圖5，6分別為不同裂紋長度和裂紋深度的聲發(fā)射信號幅值變化曲線?？梢钥闯觯?dāng)試件無缺陷時，信號幅值僅為門檻值34 dB，而不同裂紋長度和不同裂紋深度情況下的幅值范圍分別為37～38 dB和38～40 dB，無明顯的遞變規(guī)律。所以在幅值的特性參數(shù)上，可以判斷試件有無缺陷，但無法有效地分析出不同裂紋尺寸對電磁聲發(fā)射信號的影響，需要用信號處理的手段對記錄的聲發(fā)射信號波形進(jìn)行分析，深入研究聲發(fā)射信號的特征，確定不同裂紋尺寸對電磁聲發(fā)射信號的影響。

圖5 不同裂紋長度時的試件聲發(fā)射信號幅值變化曲線

圖6 不同裂紋深度時的試件聲發(fā)射信號幅值變化曲線

3 信號分析

根據(jù)電磁聲發(fā)射試驗記錄的信號波形，對其進(jìn)行快速傅里葉變化(FFT)得到頻譜圖。圖7為無缺陷時聲發(fā)射信號的頻譜?？梢钥闯?，當(dāng)試件無缺陷時，只有頻率在25 kHz左右時出現(xiàn)峰值現(xiàn)象;當(dāng)試件存在缺陷時，以裂紋尺寸3.5 mm為例，其聲發(fā)射信號頻譜如圖8所示，頻率在80 kHz左右時信號出現(xiàn)峰值現(xiàn)象。對其他裂紋尺寸的聲發(fā)射信號波形進(jìn)行FFT，同樣在80 kHz左右時信號都有明顯的峰值現(xiàn)象，但由于頻率在25 kHz時存在峰值現(xiàn)象，無法準(zhǔn)確地判斷其變化規(guī)律，需要對該頻率范圍內(nèi)的信號進(jìn)一步研究，即對該信號進(jìn)行小波包分解，得到此頻率范圍內(nèi)的信號，從而確定其變化規(guī)律。

圖7 無缺陷時的聲發(fā)射信號頻譜

圖8 裂紋長度為3.5 mm時的聲發(fā)射信號頻譜

試驗的采樣頻率為1 MHz，根據(jù)采樣定理，該聲發(fā)射信號的頻帶范圍為0～500 kHz，所以將此信號進(jìn)行3層分解，每階信號的頻帶寬度為62.5 kHz，分解后的第三層第二階分量頻率范圍62.5 kHz～125 kHz為主要研究的頻率范圍。根據(jù)原始信號的波形，選擇Symlets小波系中的sym6小波對聲發(fā)射信號進(jìn)行分解與重構(gòu)，對重構(gòu)后的三層二階分量的波形信號再次進(jìn)行FFT，得到裂紋長度為3.5 mm時三層二階分量的波形和頻譜(見圖9)，其中波形的峰值電壓為9.911×10-4V，頻譜的峰值電壓為0.079 7 V。

圖9 裂紋長度為3.5 mm時的三層二階分量波形及頻譜

對其他裂紋尺寸的聲發(fā)射信號進(jìn)行小波包分解與重構(gòu)，得到波形峰值電壓和頻譜峰值電壓曲線。圖10,11分別為不同裂紋長度的波形峰值電壓和頻譜峰值電壓變化曲線。圖12,13分別為不同裂紋深度的波形峰值電壓和頻譜峰值電壓變化曲線?？梢钥闯觯S著裂紋長度或者裂紋深度的逐漸增加，波形以及頻譜的峰值電壓也逐漸增大，并且變化曲線的斜率逐漸變小。

圖10 不同裂紋長度的波形峰值電壓變化曲線

圖11 不同裂紋長度的頻譜峰值電壓變化曲線

圖12 不同裂紋深度的波形峰值電壓變化曲線

圖13 不同裂紋深度的頻譜峰值電壓變化曲線

4 結(jié)論

(1)在確定激勵線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁激勵參數(shù)的情況下，對含不同尺寸裂紋的鋁板進(jìn)行電磁場仿真分析得到：隨著裂紋長度的逐漸增加，裂紋尖端所受的洛倫茲力也逐漸變大；當(dāng)裂紋深度改變時，雖然靠近試件表面的裂紋尖端的受力情況相同，但作用力臂變大，力的作用效果同樣變強；當(dāng)裂紋深度到達(dá)1 mm深度以后，受力基本為0，所以此種激勵線圈的最佳檢測深度為1 mm。

(2)分析聲發(fā)射信號的幅值特性參數(shù)可知：當(dāng)試件無缺陷時，幅值參數(shù)僅為門檻值，低于試件存在缺陷時的幅值，當(dāng)裂紋尺寸變化時，幅值參數(shù)沒有明顯的變化規(guī)律，并在一定范圍內(nèi)上下波動。利用幅值的特性參數(shù)分析，能夠判別出試件有無缺陷，無法有效識別缺陷的大小。

(3)對聲發(fā)射信號的波形進(jìn)行信號處理得到：試件無缺陷時，頻率在25 kHz左右存在明顯的峰值，此為電磁聲發(fā)射激勵的載波；試件存在缺陷時，頻率在80 kHz左右出現(xiàn)明顯的峰值現(xiàn)象。利用小波包對該頻段范圍內(nèi)的信號進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂紋長度或者裂紋深度增加時，分解后的波形以及頻譜的峰值電壓也逐漸變大，變化曲線的斜率逐漸變小。