(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，大連 116024)

加筋結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于船舶與海洋工程等大型裝備中，這些裝備在服役過程中會受到各類復(fù)雜載荷的共同作用[1]，在這些載荷作用下,加筋結(jié)構(gòu)焊接處極易產(chǎn)生損傷，因此為保障裝備的安全平穩(wěn)運(yùn)行，對加筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)損傷并對損傷進(jìn)行定量評估具有十分重要的意義[2]。

傳統(tǒng)的損傷檢測技術(shù)包括聲發(fā)射檢測、X射線檢測、電渦流檢測、微波檢測、紅外熱成像及光全息照相檢測等[3]，這些技術(shù)往往需要較大體積的信號激勵和采集裝置，因此不適用于復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的檢測。此外，對于薄板結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的檢測方法損傷識別精度較低，基于波動理論的超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)作為近年來無損檢測的重要技術(shù)，與其他方法相比具有適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高、使用靈活，并且對人體無害等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域[4]。

目前，基于Lamb波和水平剪切波(SH波)的損傷識別技術(shù)是超聲導(dǎo)波無損檢測領(lǐng)域的主要研究方向。WORLTON[5]指出Lamb波在鋁中頻散曲線的模式特征可應(yīng)用于材料的無損檢測，其后，國內(nèi)外學(xué)者對基于Lamb波的損傷識別展開了大量研究并取得了一定成果[6]。然而Lamb波本身固有的頻散特性和多模態(tài)特征，大大提高了信號處理過程中提取損傷特征信息的難度[7]，與Lamb波相比，板結(jié)構(gòu)中基礎(chǔ)模態(tài)的水平剪切波(SH0)具有非頻散、同損傷相互作用后模態(tài)轉(zhuǎn)換少等優(yōu)勢[8]，顯著提高了信號處理效率和檢測精度，具有很高的工程實(shí)際應(yīng)用價值。

國內(nèi)外學(xué)者在基于SH波的損傷檢測方面的研究取得了諸多成果：SU等[9]發(fā)現(xiàn)Lamb波在復(fù)合梁的傳播過程中，其會與結(jié)構(gòu)損傷相互作用并發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換形成的SH波可用于損傷的定量評估；LEE等[10]觀察到SH波對于焊接結(jié)構(gòu)的完整性十分敏感，并將SH波應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)缺陷的檢測中；YAN等[11]研究了SH波在多層周期性結(jié)構(gòu)中遇到裂紋后的散射現(xiàn)象； LIU等[12-13]開展了基于磁致伸縮SH波傳感器性能的研究，并有效地對板結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行了識別。同時，如何實(shí)現(xiàn)高效的SH波的激勵和接收一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)，基于壓電換能器體積小、能量轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，有學(xué)者提出了沿特定方向極化的d36型壓電單晶[14-16]和基于面剪切模式的d24型壓電晶片[17],實(shí)現(xiàn)了在特定方向上SH波的激勵和接收。為了突破方向性的限制，HUAN等[18-19]提出了一種基于厚度剪切式(d15)的全向型SH波壓電換能器，實(shí)現(xiàn)了在較寬頻段內(nèi)各方向上激勵和接收單模態(tài)SH0波，且在各方向上具有良好的均一性。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對于加筋結(jié)構(gòu)的超聲損傷識別技術(shù)主要是基于Lamb波來實(shí)現(xiàn)的，ZHENG等[20]基于Lamb波結(jié)合定量波前表達(dá)式和ToF(飛行時間)方法實(shí)現(xiàn)了對加筋復(fù)合板的損傷檢測，劉國強(qiáng)等[21]利用Hilbert變換提取了Lamb波波包的能量變換信息,來監(jiān)測復(fù)合材料T型加筋板的損傷，MANDAL等[22]基于非線性Lamb波的主動感知技術(shù)，識別了加筋金屬板中的呼吸裂紋損傷。

綜上所述，筆者基于超聲SH波傳播理論和壓電效應(yīng)原理，采用d15式全向型SH波壓電換能器，結(jié)合離散橢圓算法對加筋結(jié)構(gòu)損傷識別進(jìn)行研究，針對單損傷問題提出了利用損傷邊界效應(yīng)對損傷進(jìn)行精確識別的方法，針對多損傷問題提出了分區(qū)域二次識別方法，驗證了SH波在復(fù)雜板結(jié)構(gòu)無損檢測中的工程應(yīng)用價值。

1 d15式全向型SH波壓電換能器

圖1 d15全向型SH波壓電換能器結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)壓電材料的本構(gòu)方程可知，壓電材料的應(yīng)變和電通密度由所受的應(yīng)力和電場兩部分影響疊加所得，故其既可用于傳感器也可用于作動器，又因其具有能量轉(zhuǎn)換效率高和材料輕便等特點(diǎn)，一些學(xué)者開展了應(yīng)用壓電材料激發(fā)SH波的研究，近年HUAN等[18-19]提出的d15式全向型SH波壓電換能器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過將沿厚度極化的壓電陶瓷圓環(huán)沿直徑等分切割為12塊扇形體，然后在各個扇形體單元側(cè)面制作電極之后,按照相鄰扇形體極化方向相反的原則重新組裝，由于各個扇形體單元黏接面處電勢相等，因此在換能器上施加電壓后，將會在其內(nèi)部產(chǎn)生周向電場，使其發(fā)生周向的剪切變形。

由于十二等分切割的全向型SH波壓電換能器制備工藝略為繁瑣，HUAN等[23]隨后又提出了二等分切割的半圓環(huán)全向型SH波壓電換能器，而該型壓電換能器可以實(shí)現(xiàn)良好的SH波激發(fā)效果，并且制備工藝較為簡單，因此筆者將采用二分之一圓環(huán)d15式全向型SH波壓電換能器作為作動器和傳感器。

2 離散橢圓算法

基準(zhǔn)差法(Baseline Subtraction Method)廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中[24]，首先將采集結(jié)構(gòu)無損狀態(tài)下的監(jiān)測信號SH(t)作為基準(zhǔn)信號，然后采集結(jié)構(gòu)受損后的實(shí)時監(jiān)測信號SD(t),并從中減去基準(zhǔn)信號后得到包含有損傷位置和損傷程度信息的差信號SR(t),即可得到經(jīng)過損傷處的散射信號。

實(shí)際檢測中,差信號一般幅值較小且有噪聲，故采用連續(xù)小波變換(CWT)對差信號SR(t)進(jìn)行處理，得到變換后的信號XR(t)。通常情況下,XR(t)包含有串?dāng)_信號、損傷處的散射信號以及結(jié)構(gòu)邊界處的反射信號，由于損傷識別時重點(diǎn)關(guān)注對象為損傷處的散射信號，為排除其他無關(guān)信號對識別結(jié)果的影響，定義權(quán)函數(shù)ω(ti)如式(1)所示。

(1)

式中:ta為串?dāng)_信號的結(jié)束時刻；tb為結(jié)構(gòu)邊界反射信號的起始時刻;ti為差信號XR(t)在時間軸上的任一時刻。

再按式(2)計算得到損傷識別所需的損傷散射信號X(ti)。

X(ti)=XR(ti)·w(ti)

(2)

檢測時布置多個壓電換能器，在“單發(fā)多收”的檢測模式下，傳統(tǒng)橢圓算法如圖2(a)所示。通過計算得到鋁板中SH0波的波速vg，再乘以損傷散射信號到達(dá)接收傳感器的飛行時間t，得到其傳播距離s，便能確定實(shí)際損傷位于以激勵傳感器和接收傳感器為焦點(diǎn)、s為長軸的橢圓軌跡上，由多對傳感路徑得到的橢圓軌跡的交點(diǎn)即為損傷所在位置[12,25]。筆者采用離散橢圓算法進(jìn)行損傷定位和損傷成像，離散橢圓算法如圖2(b)所示，SH0波從激勵傳感器(xi,yi)傳播至結(jié)構(gòu)離散點(diǎn)(x,y)，再到達(dá)接收傳感器(xj,yj)的飛行時間可按式(3)計算得到。

(3)

圖2 損傷識別方法示意

將損傷散射信號點(diǎn)列中t(x,y)時刻對應(yīng)的幅值X[t(x,y)]賦予該離散點(diǎn)。為提高損傷識別和成像的魯棒性及準(zhǔn)確性，選取多條路徑參與融合計算，按照式(4)計算得到各個離散點(diǎn)的損傷幅值指數(shù)[26]。

(4)

式中:I(x,y)為離散點(diǎn)(x,y)處的損傷幅值指數(shù);Xk[tk(x,y)]為離散點(diǎn)(x,y)處對應(yīng)第k條傳感器路徑的損傷指數(shù)。

3 試驗平臺及傳感器驗證

采用PZT-5H型壓電陶瓷片制作二分之一圓環(huán)全向型壓電換能器，其沿厚度方向極化，片體內(nèi)徑為6 mm，外徑為12 mm，厚度為2 mm；試驗中以加筋鋁板為被監(jiān)測結(jié)構(gòu)，其中平板尺寸為1 000 mm×1 000 mm×2 mm(長×寬×高)，T型筋腹板尺寸為1 000 mm×80 mm×3 mm(長×寬×高)，T型筋面板尺寸為1 000 mm×50 mm×2 mm(長×寬×高)，在T型筋兩側(cè)對稱放置10個壓電換能器，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)(見圖3)。

圖3 加筋鋁板損傷識別系統(tǒng)示意

整個損傷監(jiān)測試驗平臺由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和被測試件3個部分組成。硬件系統(tǒng)包括產(chǎn)生激勵信號的NI PXIe-5412型任意波形發(fā)生器、采集信號的NI PXIe-5105型高速數(shù)據(jù)采集卡、用于數(shù)據(jù)處理的NI PXIe-8820型控制器以及7602M型電壓放大器；軟件部分則采用基于LabVIEW軟件開發(fā)的超聲SH波監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號的激發(fā)、采集和后處理。

檢測前需要對10個壓電換能器的性能進(jìn)行驗證，確認(rèn)其是否能激發(fā)單一模式的SH0波。分別把T1，T2，T3，T4，T5號換能器作為作動器，并依次用T1′，T2′，T3′，T4′，T5′號換能器作為接收傳感器，驗證5條路徑的波傳播速度,激勵信號采用中心頻率為180 kHz，幅值為4 V的5周期正弦漢寧窗調(diào)制信號，電壓放大器的放大倍數(shù)為28 dB。

圖4 T1-T1′路徑的激發(fā)信號和接收信號

T1-T1′路徑的時域信號如圖4(a)所示，接收信號中只有一個與激勵信號波形相同的大波包，說明換能器既能作為作動傳感器激發(fā)超聲導(dǎo)波信號，也可以作為接收傳感器有效接收導(dǎo)波信號；利用連續(xù)小波變換對激勵和接收的時域信號進(jìn)行處理，得到對應(yīng)激勵頻率為180 kHz的波包在時間軸上的幅值分布，如圖4(b)所示。通過能量最大法來確定波包傳播的時間t，然后利用已知的傳播路徑求得對應(yīng)波的群速度，依次對5條路徑的時域信號進(jìn)行處理。為了保證信號的穩(wěn)定性與可靠性，每條路徑取多組信號的平均值，得到對應(yīng)的群速度如表1所示。試驗得到的速度與SH0波數(shù)值求解的理論群速度基本吻合，相對誤差均小于2%，驗證了采用的5組全向型SH波壓電換能器能夠有效地激勵和接收單一模態(tài)的SH0波。

表1 5條路徑對應(yīng)的群速度

4 試驗結(jié)果及討論

4.1 單損傷研究

首先對焊接結(jié)構(gòu)存在單損傷的情況進(jìn)行識別研究，在鋁板與T型筋交接處打磨長為20 mm的損傷缺陷，如圖3中損傷區(qū)域深色部分所示。采用“單發(fā)多收”的方式，T1T5號換能器依次為作動器，T1′T5′號換能器依次為接收傳感器，共25條路徑組成傳感器網(wǎng)絡(luò)。

試驗分別測得加筋板無損狀態(tài)下的基準(zhǔn)信號和損傷信號，利用基準(zhǔn)差法得到散射信號，圖5中隨機(jī)給出了路徑T4-T4′信號通過連續(xù)小波變換得到的幅值曲線，將激勵信號的峰值點(diǎn)定義為初始時間，即波包的飛行時間t為激勵信號的峰值點(diǎn)到差信號任意點(diǎn)的時間歷程。

圖5 T4-T4′激勵信號和散射信號小波變換后的幅值曲線

將板沿x，y方向離散成1 mm×1 mm(長×寬)的矩形網(wǎng)格，利用離散橢圓幅值全加法對25條路徑進(jìn)行融合，將融合后的離散各點(diǎn)對應(yīng)的差信號波包幅值作為判斷損傷大小的指數(shù)。圖6為單損傷離散橢圓算法成像結(jié)果，圖中在y=0.382 m處損傷指數(shù)最大，實(shí)際損傷的范圍y為0.3620.382 m，損傷概率最大位置正好對應(yīng)于損傷的一個端點(diǎn)，分析原因是傳播中的SH0波在損傷邊界處發(fā)生散射,在損傷邊界處的差信號波包幅值較大，因此在邊界處的損傷指數(shù)會產(chǎn)生峰值。

圖6 單損傷離散橢圓算法成像結(jié)果

圖7 局部損傷指數(shù)隨T型筋位置變化的曲線

圖7為局部損傷指數(shù)隨T型筋位置變化的曲線，從曲線變化趨勢可知，在損傷指數(shù)最大值附近還存在一個指數(shù)峰值，根據(jù)邊界效應(yīng),該峰值對應(yīng)該損傷的另一個端點(diǎn)，判定損傷區(qū)域是0.3580.382 m，與實(shí)際損傷范圍基本吻合。結(jié)果表明,該試驗方法可以對加筋鋁板焊縫處的損傷進(jìn)行精確定位及損傷程度的判別，通過離散橢圓幅值全加算法得到的損傷指數(shù)可以用于加筋鋁板的損傷識別。

4.2 多損傷研究

在實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)損傷往往不是單獨(dú)存在的,而是多個不同的損傷同時存在，這種情況對結(jié)構(gòu)的危害更大，因此筆者針對多個損傷同時存在的情況進(jìn)行了試驗研究。在單損傷的基礎(chǔ)上制備兩個長度分別為10,30 mm的損傷區(qū)域，3個損傷區(qū)域編號及位置如表2所示。同單損傷識別相同，利用離散橢圓幅值全加算法對25條傳感器路徑的散射信號進(jìn)行處理，得到多損傷指數(shù)隨T型筋位置變化的曲線如圖8所示。由圖8可知，損傷指數(shù)最大值位于0.443 m處，與任意一個損傷的位置均不對應(yīng)，從曲線特征來看，無法讀取出與3個損傷有關(guān)的指數(shù)峰值，因此該方法無法同時有效識別多個損傷。

表2 3個損傷區(qū)域編號及位置

圖8 多損傷指數(shù)隨T型筋位置變化的曲線

通過對每條傳感器路徑的信號研究發(fā)現(xiàn)，各路徑對于不同位置的損傷敏感程度不同，激勵傳感器和接收傳感器連線與損傷中心點(diǎn)垂向距離越小的路徑對于該損傷識別效果越好，因此通過25條路徑融合得到的損傷指數(shù)曲線無法對多個損傷進(jìn)行有效識別，需要對識別算法進(jìn)行改進(jìn)。

需要對多個損傷進(jìn)行初步定位，將5對傳感器均勻分為3組，每組傳感器中包含9條路徑(見表3)。對每組內(nèi)的路徑進(jìn)行損傷指數(shù)融合，結(jié)果如圖9(a)，9(c),9(e)所示，其中第一組和第二組的指數(shù)曲線在最大值處均存在2個峰值，第三組的指數(shù)曲線在最大值附近只有1個峰值(原因是只采用了3組傳感器,共9條路徑進(jìn)行幅值全加融合，對比單損傷時的5組傳感器,共25條路徑進(jìn)行損傷指數(shù)融合的情況,路徑過于稀疏導(dǎo)致第2個峰值不明顯)。將初步定位結(jié)果與實(shí)際損傷位置進(jìn)行比較，損傷初步定位結(jié)果如表4所示，初步定位的損傷中心點(diǎn)位置較為精確，損傷2的中心點(diǎn)位置由于兩個峰值區(qū)分不明顯，所以定位誤差偏大，達(dá)到了26 mm，其余兩個損傷的絕對誤差均小于10 mm；同時，發(fā)現(xiàn)初步定位識別的損傷范圍偏大，說明對傳感器進(jìn)行粗略分組后的識別精度不夠，需要依據(jù)初步定位的損傷中心點(diǎn)的位置進(jìn)行二次損傷精確識別。

表3 初步定位傳感器路徑分組

表4 損傷初步定位結(jié)果

基于與損傷距離越近的傳感器路徑對損傷越敏感這一特性，利用初步定位的中心點(diǎn)位置與激勵-接收直達(dá)路徑距離的相對關(guān)系,提出一種權(quán)重系數(shù)β來提高識別精度，其表達(dá)式如式(5)，(6)所示。

(5)

(6)

式中：(a，b)為損傷中心點(diǎn)的坐標(biāo)；(xa，ya)為激勵傳感器的坐標(biāo)；(xs，ys)為接收傳感器的坐標(biāo);z為中心點(diǎn)到激勵和接收傳感器距離之和與兩個傳感器距離的比值;α為控制權(quán)重系數(shù)相對大小的影響因子，α越大，距離損傷中心點(diǎn)越遠(yuǎn)的路徑權(quán)重系數(shù)β衰減越快，β越接近于1,則路徑直達(dá)波包經(jīng)過損傷的概率越大，降低了不敏感路徑對損傷識別精度的影響。

在初步定位的基礎(chǔ)上，求得每組內(nèi)9條路徑的權(quán)重系數(shù)β，對9條路徑求得的幅值進(jìn)行加權(quán)求和，得到各組的損傷指數(shù)變化曲線如圖9(b),9(d),9(f)所示。與加權(quán)之前的曲線相比，曲線峰值更加突出，且加權(quán)后的損傷指數(shù)曲線均為單峰值，產(chǎn)生單峰值的原因是各路徑對損傷指數(shù)的貢獻(xiàn)會由于權(quán)重系數(shù)的存在而更加集中，所以加權(quán)后的損傷指數(shù)曲線表現(xiàn)為單峰值。

圖9 加權(quán)前后3組路徑的損傷指數(shù)曲線

由于加權(quán)后的指數(shù)曲線不再具有雙峰值的特點(diǎn)，所以利用邊界效應(yīng)確定損傷大小的方法不再可行，需要定義閾值I0來確定損傷的大小，當(dāng)歸一化后的損傷指數(shù)達(dá)到損傷閾值時，認(rèn)定該區(qū)域為損傷區(qū)域。根據(jù)單損傷識別結(jié)果定義閾值，利用單損傷指數(shù)曲線計算不同大小的閾值對應(yīng)的損傷大小識別誤差。表5給出了閾值為0.97，0.98，0.99時所對應(yīng)的識別精度，由表5可知，隨著閾值的增大，損傷大小識別誤差逐漸減小。由于超聲損傷檢測系統(tǒng)的識別誤差一般要求在10 mm以內(nèi)[19,23]，為了提高識別精度，定義閾值I0=0.99，即損傷指數(shù)I≥0.99的區(qū)域認(rèn)定為損傷區(qū)域。利用閾值I0計算加權(quán)后的二次損傷識別結(jié)果，兩次識別結(jié)果對比如表6所示，由表6可知，與初步識別結(jié)果相比，二次識

表5 單損傷不同閾值的識別精度對比

表6 兩次識別結(jié)果對比

別損傷范圍精度得到了大幅提高；比較3個損傷結(jié)果發(fā)現(xiàn)，損傷①的識別誤差偏大，損傷③的識別精度較高，說明尺度越大的損傷的識別效果越好。

5 結(jié)語

針對加筋板焊接結(jié)構(gòu)的損傷問題，利用基于SH0波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)對其進(jìn)行損傷識別研究，采用新型的全向型SH波壓電換能器組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，對單損傷和多損傷情況進(jìn)行了探討，通過試驗研究得到了以下結(jié)論。

(1) 采用的二分之一全向型SH波壓電換能器能夠在加筋結(jié)構(gòu)中有效地激勵和接收單一模態(tài)的SH0波，并且具有較好的魯棒性。

(2) 對于單損傷情況，利用離散橢圓算法的幅值全加法對25條路徑的差信號進(jìn)行融合，基于損傷邊界的散射效應(yīng)在損傷端點(diǎn)處會產(chǎn)生指數(shù)峰值，從而通過損傷指數(shù)最大處的兩個峰值可以精確定位損傷,同時判斷損傷程度，表明此方法可以用于加筋板焊接結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測。

(3) 對于多損傷情況，研究發(fā)現(xiàn)每條路徑對于不同位置的損傷敏感程度不同，與損傷中心點(diǎn)垂向距離越小的路徑對于該損傷的識別效果越好，因此提出一種分區(qū)域二次識別方法：首先,分區(qū)域?qū)Ω鱾€損傷進(jìn)行初步定位，利用初步定位的中心點(diǎn)位置求得各個路徑的損傷權(quán)重系數(shù)β；然后，對各路徑損傷指數(shù)重新加權(quán)融合后進(jìn)行二次精確識別，根據(jù)單損傷識別結(jié)果定義損傷指數(shù)閾值I0=0.99，對損傷區(qū)域尺度進(jìn)行界定。結(jié)果表明:分區(qū)域二次識別方法可以較為有效地識別多個損傷同時存在的情況，同時發(fā)現(xiàn)該方法對于尺度越大的損傷識別效果越好。