CN109632958A - 一种考虑裂纹方位的Lamb波损伤检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑裂纹方位的Lamb波损伤检测方法，该方法通过设计出裂纹在铝合金板中心，压电陶瓷(PZT)传感器在以裂纹为圆心的半径上，构造出模拟不同入射裂纹角度，利用不同入射角度下PZT点对点发射接收Lamb波，分析采集到的Lamb波信号，研究了不同入射角度对于响应信号的影响，将裂纹方位角度引入传统的裂纹长度回归模型中，从而得到裂纹的长度。

Description

一种考虑裂纹方位的Lamb波损伤检测方法

技术领域

本发明涉及一种考虑裂纹方位的Lamb波损伤检测方法，属于结构健康监测技术领域。

背景技术

材料在应力或环境等因素的影响下形成裂纹，是最常见的结构损伤类型之一。裂纹会导致材料的强度和刚度降低，在某些条件下裂纹将会扩展，如果未能及时检测，将有可能导致严重的后果。无损检测能够在对受检对象不造成损害的条件下，通过物理或化学方法对被测结构的内、外部裂纹进行检测。相比于传统无损检测方法，结构健康监测能够实现在线监测和主动的检测，检测设备易于实现，能够实现广域结构检测，是一门新兴的、具有前景的技术。

利用Lamb波进行结构健康监测是这一领域的热门研究方向。结构内部的各种损伤都会使结构中传播的Lamb波信号发生散射，进而导致Lamb波的特征值发生改变。传统的检测方法是通过采集到的Lamb波响应信号进行逆向推导，从而评估损伤的位置及尺寸。然而，对于结构中裂纹的检测往往忽视了裂纹方位对于Lamb波在介质中传播的影响，这造成了对于Lamb波非垂直入射的情况下，传统方法评估出的裂纹尺寸误差很大。因此，开发一种考虑裂纹方位角度的模型用以评估裂纹尺寸是解决这类检测问题的一个可行方案。

发明内容

本发明为解决传统基于Lamb波一发一收式检测忽视裂纹方位引起的裂纹尺寸估计精度不足问题，提供了一种考虑裂纹方位角度的新模型代替传统裂纹定量估计模型。

一种考虑裂纹方位的Lamb波损伤检测方法，包括以下步骤：

1)在Abaqus中建立含裂纹铝合金板CAE模型，在铝合金板中心设置9条长度递增的裂纹；

2)采用激发器A₁～A₆在以裂纹为圆心、r为半径的圆弧上，构造出6个不同入射裂纹角度，分别是15°，30°，45°，60°，75°，90°，同样在以裂纹为圆心、r为半径的圆弧上利用接收器S₁～S₆点对点接收激发器发射的Lamb波，采集Lamb波信号，依次分别对步骤1)中的9条长度递增的裂纹进行采集，共获得54个Lamb波信号；

3)对于步骤2)得到的54个Lamb波信号，利用波速信息提取第一个到达的3.5周期的波包，并针对该接收到的波包提取最大幅值特征值及其所对应的相位，并利用无损伤的健康基准信号，将最大幅值和相位处理成归一化幅值和相位差，将特征值用趋势图进行直观体现，观察和分析角度对于响应信号的幅值和相位的影响；

4)根据步骤3)的裂纹角度对于Lamb波的影响分析，进一步做出直观的物理模型假设，Lamb波在不同角度下的斜入射等效为某个裂纹长度情况下Lamb波垂直入射，模型公式如下，

其中是在入射角为θ下的裂纹估计长度，等效的垂直入射裂纹长度，并进一步通过归一化幅值和相位差建立含有角度的回归模型如下，

其中a₁,a₁,a₂,a₃是待回归的参数，x₁是归一化幅值，x₂是相位差；

5)依次检测铝合金板中心9条长度递增的裂纹，对6个不同入射角度采用多通道扫查器采集信号，将得到的信号通过滤波器去除噪声，并利用波速信息提取波包，进一步提取幅值和相位的特征值，利用9条裂纹的垂直入射数据进行模型参数回归，将剩余斜入射的45个数据及其斜入射角度代入步骤4)的模型(2)中进行裂纹长度估计。

进一步的，仿真用铝合金为Al2024-T3，弹性模量E＝72Gpa，密度ρ＝2780Kg/m³，泊松比ν＝0.33，大小为500mm×500mm×2mm。

进一步的，铝合金板中心设置有9条不同长度的裂纹，裂纹长度从2-10mm，每2mm一个梯度，从10mm-30mm，每5mm一个梯度。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

本发明中的考虑裂纹角度的Lamb波检测方法，是一种针对裂纹定量检测而言考虑更加周全的一种新方法。有限元仿真以及试验都证明，考虑裂纹角度的模型是一种非常合理且精确的方法。这是因为Lamb波在斜入射裂纹时，波的传播与垂直入射相同长度的裂纹相比有明显不同，且假设的等效模型方法符合物理上的直观推论。这种含裂纹角度的裂纹长度估计模型相比传统的无角度回归模型更加精确。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是本发明有限元仿真流程图。

图3是本发明有限元仿真设计及网格细化图。

图4是本发明物理模型的示意图。

图5是本发明实验验证示意图。

图6是本发明疲劳试验生成孔边斜裂纹示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，发明了一种考虑裂纹方位的Lamb波损伤检测方法，包括入射角度对Lamb波的影响研究，带有入射角度的裂纹长度估计模型建立，利用有限元仿真及实验对模型进行验证。其具体作法如下：

入射角度对Lamb波的影响研究中流程如下：

如图2所示，本发明首先选用Abaqus/Explicit动力仿真平台，设计了图中所示的入射角度研究模型，通过有限元仿真方法模拟Lamb波作用在铝合金结构中，并基于此仿真结果，分析入射裂纹角度对于Lamb波信号的影响。具体步骤如下：

1.在Abaqus中建立含裂纹铝合金板CAE模型。如图3所示，总共设计有9条不同长度的裂纹置于平板中心，裂纹长度从2-10mm，每2mm一个梯度，10mm-30mm每5mm一个梯度。仿真用铝合金为Al2024-T3，弹性模量E＝72Gpa，密度ρ＝2780Kg/m³，泊松比ν＝0.33，大小为500mm×500mm×2mm。

2.设计激励信号及激励位置。根据Lamb波S0模式的频散曲线及板厚选择了160KHz汉宁窗调制的3.5个周期正弦窄带信号作为激励信号，将其作用于位于如图3所示的A₀～A₆激发器上。点对点发射和接收，即A_i激发器发射Lamb波，S_i接收器接受Lamb波。

3.接收信号并做信号处理。仿真中接收到的信号无噪音，进而提取不同角度下的响应信号，通过Matlab工具导出信号时域图。

4.信号特征值提取。首先利用波速信息提取第一个到达的3.5周期的波包，并针对该接收到的波包提取最大幅值特征值及其所对应的相位，并利用无损伤的健康基准信号，将最大幅值和相位处理成归一化幅值和相位差。

5.角度对响应信号的影响分析。将特征值用趋势图进行直观体现，观察和分析角度对于响应信号的幅值和相位的影响。

6.根据上述的裂纹角度对于Lamb波的影响分析，进一步做出直观的物理模型假设，其物理模型示意图如图4所示，Lamb波在不同角度下的斜入射能够等效某个裂纹长度情况下Lamb波垂直入射，并从理论上给出考虑角度的模型公式如下，

其中是在入射角为θ下的裂纹估计长度，等效的垂直入射裂纹长度。并进一步通过两个提出的损伤敏感特征(归一化幅值和相位差)建立含有角度的回归模型如下，

其中a₁,a₁,a₂,a₃是待回归的参数，x₁是归一化幅值，x₂是相位差。

为了验证模型的精确性，本发明依据模型做了以下实验，实验采用SMART多通道阵列扫查结构健康监测平台，7mm直径，0.2mm厚的PZT压电陶瓷片，同仿真的Al2024-T3铝合金板，及多通道扫查信号采集软件，具体流程步骤如下：

1.实验装配及信号采集。实验装配参照仿真设计，如图2所示，利用多通道扫查器采集信号。

2.信号处理及特征值提取。得到的信号通过滤波器去除噪声，并利用波速信息提取首达波包，进一步提取幅值、相位等特征值。

3.模型参数回归。利用垂直入射时的9个裂纹长度下的数据进行模型参数回归。

4.裂纹长度估计。通过斜入射的45个数据及其斜入射角度代入新提出的模型进行裂纹长度估计。

5.结果的精确性分析。利用估计与真实裂纹长度散点图，贝叶斯及蒙特卡洛-马尔科夫MCMC仿真等多种手段分析新模型得到结果的精确性。

疲劳试验下的铝合金铆接件的含角度裂纹扩展对模型的验证：如图6所示，该系统由Lamb波激励采集系统，光学显微疲劳裂纹测量系统和疲劳加载控制系统组成。压电传感器粘贴在铆接孔的两侧。通过真实扩展的裂纹及结构健康监测系统所采集到的信号，对提出的模型进行验证。

本发明中的考虑裂纹角度的Lamb波检测方法，是一种针对裂纹定量检测而言考虑更加周全的一种新方法。这种含裂纹角度的裂纹长度估计模型相比传统的无角度回归模型更加精确。

尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。

Claims (2)

1.一种考虑裂纹方位的Lamb波损伤检测方法，包括以下步骤：

1)在Abaqus中建立含裂纹铝合金板CAE模型，在铝合金板中心设置9条长度递增的裂纹，优选的，裂纹长度从2-10mm，每2mm一个梯度，从10mm-30mm，每5mm一个梯度；

2)采用激发器A₁～A₆在以裂纹为圆心、r为半径的圆弧上，构造出6个不同入射裂纹角度，分别是15°，30°，45°，60°，75°，90°，同样在以裂纹为圆心、r为半径的圆弧上利用接收器S₁～S₆点对点接收激发器发射的Lamb波，采集Lamb波信号，依次分别对步骤1)中的9条长度递增的裂纹进行采集，共获得54个Lamb波信号；

3)对于步骤2)得到的54个Lamb波信号，利用波速信息提取第一个到达的3.5周期的波包，并针对该接收到的波包提取最大幅值特征值及其所对应的相位，并利用无损伤的健康基准信号，将最大幅值和相位处理成归一化幅值和相位差，将特征值用趋势图进行直观体现，观察和分析角度对于响应信号的幅值和相位的影响；

4)根据步骤3)的裂纹角度对于Lamb波的影响分析，进一步做出直观的物理模型假设，Lamb波在不同角度下的斜入射等效为某个裂纹长度情况下Lamb波垂直入射，模型公式如下，

其中是在入射角为0下的裂纹估计长度，等效的垂直入射裂纹长度，并进一步通过归一化幅值和相位差建立含有角度的回归模型如下，

其中a₁，a₁，a₂，a₃是待回归的参数，x₁是归一化幅值，x₂是相位差；

5)依次检测铝合金板中心9条长度递增的裂纹，对6个不同入射角度采用多通道扫查器采集信号，将得到的信号通过滤波器去除噪声，并利用波速信息提取波包，进一步提取幅值和相位的特征值，利用9条裂纹的垂直入射数据进行模型参数回归，将剩余斜入射的45个数据及其斜入射角度代入步骤4)的模型(2)中进行裂纹长度估计。

2.根据权利要求1所述的损伤检测方法，其特征在于：仿真用铝合金为A12024-T3，弹性模量E＝72Gpa，密度ρ＝2780Kg/m³，泊松比v＝0.33，大小为500mm×500mm×2mm。