基于數值模擬的鋼橋面板聲發射源定位研究

黃 靜

(中鐵長江交通設計院集團有限公司，重慶 401121)

0 前 言

正交異性鋼橋面板由鋼板和縱、橫梁焊接而成，具有自重輕、承載能力高、施工現場裝配速度快等優點[1]，在大跨度鋼橋中得到了廣泛的應用。但近年來的研究發現，正交異性鋼橋面板由于焊縫眾多，應力集中問題比較突出，在車輪荷載的反復作用下，結構中應力集中的區域就會產生疲勞問題[2]，從而產生疲勞裂紋，對橋梁結構的行車安全危害較大。因此，采用先進的技術手段，對既有橋梁實施高效、安全的養護管理，以提高橋梁的健康狀況、延長其使用壽命就變得尤為重要[3]。傳統的檢測方法如超聲、X 射線、渦流檢測等，對于現場的檢查條件要求較高，且無法做到全面監測。為了及時發現安全隱患，確保橋梁的行車安全及指導運營階段的養護維修工作，需要對橋梁結構幾何狀態進行監測，并對橋梁結構狀態做出評估[4]。

聲發射(Acoustic Emission，簡稱AE)是一種材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象[5]。當材料出現裂紋時會釋放能量，基于這一原理，其產生的彈性波可以被聲發射傳感器探測到，從而檢測出裂紋的位置。目前超聲波無損檢測技術廣泛應用于醫學、航天、航海、建筑工程等眾多行業，因為其具有實時、動態、不受結構大小形狀影響等優點[6]。Prine 和 Hopwood[7]利用聲發射焊接監測系統來分析定位鋼橋的裂紋擴展。王春生[8]將聲發射技術應用到混凝土橋梁損傷監測與評估中，并用公路動態稱重技術(WIM)對車輛荷載與聲發射信號特征進行了相關性分析。

斷鉛實驗是常用的模擬材料裂紋聲發射源的實驗方法[9]，用以研究聲發射波在結構內部傳播的特性和損傷定位。傳統的斷鉛實驗都是采用尺寸較小的結構，而正交異性鋼橋面板尺寸大、結構形式復雜，斷鉛實驗的實施費時費力且存在盲區，國內外的研究中對大體積鋼板斷鉛實驗的數值模擬較少。因此，本研究采用有限元方法模擬鋼橋面板斷鉛實驗來精細探究聲發射波的傳播特性，對改進現有的鋼結構裂紋損傷定位的方法具有重要的理論意義和工程實用價值。

1 聲發射源定位方法

1.1 斷鉛實驗模擬

實際研究中，一般在鋼板多個特定位置處布置聲發射傳感器，并在指定位置進行斷鉛。通過分析各個傳感器接收到的信號來識別斷鉛引起的聲發射波的源位置，從而進行誤差分析。本文模擬的帶U肋鋼板的平面及橫斷面如圖1～2所示。其平面尺寸為 1.5 m×1.5 m，板厚為 2 cm，其中 U 肋厚 0.8 cm,肋板展開寬度為71 cm。以肋板展開后的鋼板平面中心為原點，分別在(-60 cm，60 cm)、(61 cm，60 cm)、(61 cm，-60 cm)、(-60 cm，-60 cm)位置處設定信號接收位置，即傳感器 1、2、3、4。在鋼板上繪制如圖 1 所示的網格線以確定斷鉛位置，其中每一方格邊長為 5 cm，在每個網格點上通過施加激勵來模擬斷鉛，在各個傳感器位置接收激勵產生的聲發射信號。

圖1 傳感器布置及網格劃分示意圖

圖2 U 肋鋼板截面尺寸

1.2 時差定位

在經斷鉛實驗得到聲發射信號后，可采用時差定位法來確定模擬損傷的位置。時差定位法是根據不同聲發射傳感器檢測到聲發射信號的時間之差，再依據傳感器之間的相對位置來確定聲發射源的位置[10]。在平面定位中，理論上只需三個傳感器即可確定聲發射源的平面位置，圖3為平面定位示意圖。

圖3 平面定位示意圖法

平面時差定位法首先假定聲發射源位置(XS，YS)，在已知三個傳感器位置的情況下，測得聲發射信號到達傳感器1與傳感器2的時差，傳感器1與傳感器3的時差，則聲發射源的位置由下列兩個方程式聯立得出：

(1)

(2)

式中，V為聲發射產生的應力波在結構中的波速。

2 數值模擬

2.1 模型物理參數

利用ABAQUS，用單元類型為八節點線性六面體單元建立上述帶U肋鋼板的三維有限元模型，在鋼板兩側施加限制鋼板平動的邊界條件。圖 4 為數值有限元模型及相應傳感器布置，模型的材料參數見表1。

圖4 數值有限元模型及模擬傳感器分布位置

表1 鋼橋面板 Q345 的材料參數

2.2 激勵信號

本文模擬的是實際斷鉛實驗的聲發射信號，因此，需要選取與斷鉛實驗中斷鉛引起的激勵相同的脈沖荷載作為模型的激勵。激勵的特性會影響傳播信號的頻率含量以及聲發射波在板中的形成過程。由于聲發射的產生是固體內部的快速微觀位移，因而需要較高的時間分辨率。在實際斷鉛的整個過程中，材料表面斷鉛位置處垂直于板的變形量先變化到最大值，然后又迅速減小。Sause[11]研究表明，當施加線性的集中脈沖荷載時，產生的數值信號與斷鉛過程所產生的聲發射信號擬合較好，因此，本文采用線性的集中脈沖荷載來模擬實際斷鉛時引發的激勵。集中脈沖荷載的幅值取1 N[11]，方向垂直鋼板向下，脈沖荷載上升時間為 1×10-6s，總時長為 2×10-6s，具體圖像如圖 5 所示。正交異性鋼橋面板的裂紋分布較廣,故在模型的板面和 U 肋位置分別選取若干點進行激勵，分別進行誤差分析。選取的點的位置如圖6所示。

圖5 集中脈沖荷載形式

圖6 肋板展開后激勵點和傳感器分布圖

2.3 網格劃分與時間步長設置

有限元模擬采用動態顯式分析，計算時間長度為 1×10-3s，在變量輸出中選擇位移。采用有限元分析波的傳播特性，為確保計算結果的收斂性和準確性，應根據激勵信號的頻率設置計算時間步長，同時應根據波長大小確定網格的尺寸[12]，需滿足式(3)～(4)：

(3)

(4)

式中，t 為積分時間步長；fmax為聲發射信號的最大頻率；L 為網格的最大尺寸；λmin為最小波長。

本文模擬的斷鉛過程所產生的聲發射信號的中心頻率為 250 kPa，計算時間步長設為 2×10-7s，網格尺寸為 2 mm，采用的單元類型為八節點線性六面體單元、非協調模式(C3D8I)。

2.4 數值模擬結果

2.4.1 傳播機理及時程分析

在任一激勵點位置施加上述激勵信號，進行結果計算和分析，在5個傳感器位置得到沿板厚方向上的位移時程曲線。以激勵點坐標(41,0)為例，當波的傳播時間分別為 5×10-15s、1.0×10-14s、1.5×10-14s、2.0×10-14s時波的傳播特征如圖 7 所示，可以看到板內波形隨傳播時間的變化規律。從圖7中可以看到，當激勵點位于板上時，波先以激勵點為圓心向四周擴散，當達到邊界時，會在邊界面上產生反射，與原波形疊加；當波達到板與肋的交界處時，波的能量會分散，一部分繼續沿著板進行傳播，另一部分則沿著肋進行傳播，還有一部分則形成反射波繼續傳播。

(a)5×10-15 s位移云圖

圖8為數值模擬得到的傳感器 1～4處所測得的垂直于鋼板方向的位移時程曲線，由圖8可見，信號的頻率特性與實驗采集的信號相同，說明本文采用的荷載形式能夠準確模擬斷鉛的過程。

2.4.2 模擬定位結果

進行損傷定位前，需要先確定“閾值”[13]。當位移幅值大于這個“閾值”時，就視為聲發射信號達到了傳感器位置。閾值是用來排除一些低幅值聲發射信號的干擾，這些信號并不是損傷本身產生的聲發射，而是與環境和電磁等背景噪聲有關。本文將帶 U 肋鋼板的聲發射信號的閾值設為 1×10-15m，即將豎直方向上的位移幅值達到 1×10-15m 的時刻視為信號到達時間，該閾值下時差定位結果的誤差最小。本文采用傳感器 1-2-3 之間的到達時差對選定的激勵位置進行定位，聲發射源實際位置與定位結果見表 2。通過對比數值模擬定位結果與實際的源位置坐標可以發現：模擬的時差定位的精度總體來說較好，平均誤差在 1.2 cm 左右，但當激勵點與傳感器距離較遠或在結構邊界時，定位誤差明顯偏大。

(a)傳感器 1 處接收信號

表2 帶U肋鋼板各個激勵點的定位結果 單位：cm

3 結 論

本文使用有限元軟件ABAQUS建立了帶 U 肋鋼板模型，對斷鉛實驗中產生的應力波進行了模擬，研究了應力波在帶 U 肋鋼板中的傳播過程，并且采用時差定位法對模擬的激勵位置進行了定位，得出結論如下。

1)該方法能有效模擬斷鉛產生的聲發射信號，以及聲發射信號在 U 肋鋼板中的傳播過程。

2)時差定位法對于結構內部的聲發射源定位精度較高，而對靠近結構邊界的聲發射源進行定位時，會產生較大的誤差。

[ID:012852]