導波檢測金屬構(gòu)件疲勞裂紋的試驗研究

劉麗娜，錢征華，蔡晨寧

(1.南京航空航天大學 航空學院，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學 金城學院，江蘇 南京 211156；3.南京航空航天大學 民航學院，江蘇 南京 211106)

在航空、土木、機械等工程領(lǐng)域，由于長期承受交變載荷，材料疲勞損傷是導致結(jié)構(gòu)(部件)服役性能退化的主要原因之一，嚴重威脅結(jié)構(gòu)本身和人員生命財產(chǎn)的安全。如2002年5月27日，臺灣華航一架波音747客機執(zhí)行最后一次航班任務從臺灣飛往香港進行大修，由于金屬腐蝕疲勞造成尾翼裂紋，飛機墜入南中國海，225人喪生[1]。因此，如何及時準確檢測并識別出結(jié)構(gòu)中存在的疲勞裂紋，并進行持續(xù)監(jiān)測和評估是當前各類工程結(jié)構(gòu)面臨的重要課題之一。但是金屬構(gòu)件從疲勞裂紋萌生到發(fā)生斷裂只發(fā)生很小的永久變形，很難事先察覺，是一種極其危險的破壞形式，且由于疲勞裂紋很細小，卸載后裂紋基本閉合，所以很難用傳統(tǒng)的無損檢測方法及時發(fā)現(xiàn)構(gòu)件中的初期疲勞裂紋[2-3]，對疲勞裂紋進行準確的定性、定量表征則更困難。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是綜合性的結(jié)構(gòu)監(jiān)測、評估及預警系統(tǒng)。對結(jié)構(gòu)中的局部損傷尤其是表面微小裂紋的監(jiān)測是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中非常重要的一部分。傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)是利用超聲波設(shè)備在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生彈性波，利用檢測儀器，可以有效地探知結(jié)構(gòu)中的損傷情況。然而，由于超聲波發(fā)生裝置體積龐大，安裝復雜，不適合在分布式智能結(jié)構(gòu)中廣泛采用。近年來，一些學者開始研究附著或嵌入在結(jié)構(gòu)中的微小壓電晶體傳感器構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)[4-6]，其具有對微小損傷檢測靈敏度高、適用范圍廣、抗干擾能力強、信號采集和處理方便快捷等優(yōu)點，在疲勞損傷檢測研究中具有廣闊的應用前景[7]。

本文提出將導波檢測技術(shù)和先進數(shù)據(jù)處理方法(小波分析)相結(jié)合的方法，對疲勞載荷下鋁合金構(gòu)件疲勞裂紋的發(fā)生和擴展進行在線的持續(xù)監(jiān)測，測試裝置是建立在試樣上的疲勞載荷，PZT傳感器表面安裝在試樣上，在疲勞試驗中激發(fā)和接收導波。利用連續(xù)小波變換從導波信號中提取特征，表征疲勞微裂紋的存在和擴展給出置信度，并驗證了所提出方法的有效性[8]。

1 信號處理與特征提取

在基于導波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，為了表征損傷的發(fā)生和發(fā)展，需要從信號中提取損傷特征。通常損傷特征是隨損傷的發(fā)生和發(fā)展而變化的參數(shù)。對于采用的信號處理技術(shù)來說，所提取的信號特征需要能有效地保留信號的特性，并且具有良好的穩(wěn)定性[9-10]。本文采用連續(xù)小波變換對導波信號進行處理，提取特征，以表明疲勞裂紋的存在和進展。信號的小波變換由如下幾方面定義：

(1)

式中，ψ是母小波；a和b被稱為尺度和平移參數(shù)；上標*表示一個復雜的共軛。在本研究中，采用Gabor小波作為母小波，提供了良好的時頻分辨率。

為裂紋檢測定義了一個簡單的特征，它代表傳感器從特定的診斷勵磁接收到的能量，并由連續(xù)小波變換處理。它在時頻域中定義為：

(2)

式中，WE是小波能量的簡稱，CWT在方程式1中的定義；Vs與波信號相對應；f表示小波能量的計算頻率；[ts,te]定義了計算小波能量的時間范圍的下限和上限。

2 試驗系統(tǒng)

選取牌號為7075的鋁合金試件，尺寸為長500 mm×寬20 mm×厚50 mm，通過材料拉伸試驗得到鋁合金的力學性能為：抗拉強度≥560 MPa，伸長應力≥495 MPa，伸長率≥6%。為了控制鋁合金裂紋的產(chǎn)生部位和方向，沿軋制方向截取V形單邊缺口試樣，高度為5 mm，為了減小試件內(nèi)部殘余應力對疲勞加載試驗的影響，對缺口加工后的試樣進行去應力退火，在260 ℃保溫1.5 h后水冷。在試件的表面，位于缺口兩側(cè)各30 mm處，貼有2個直徑為10 mm、厚度為1 mm的PZT壓電元件，其上下電極導線均可從上表面引出，并使用環(huán)氧樹脂膠封裝PZT壓電傳感器，分別作為驅(qū)動器和傳感器，其外形如圖1所示。在5T疲勞試驗加載系統(tǒng)(見圖1)上進行疲勞加載，加載頻率為6 Hz，加載波形為正弦波，采取四點等幅彎曲加載方式，載荷跨度為150 mm，支承跨度為350 mm，在最大應力σMAX≥560 MPa、應力比R=0.1條件下進行加載。在疲勞加載過程中裂紋會從缺口位置萌生，而且缺口附近位置的應力超過材料屈服強度，會產(chǎn)生塑性變形，該處所萌生的疲勞裂紋是彈塑性裂紋。疲勞裂紋監(jiān)測系統(tǒng)則由美國NI公司生產(chǎn)的PXI-5442任意波形發(fā)生器、PXI-6115高速數(shù)據(jù)采集卡組成。在疲勞裂紋監(jiān)測系統(tǒng)中，PXI-5442任意波形發(fā)生器發(fā)出所需的診斷信號，由PZT驅(qū)動器在試件中激勵應力波信號，經(jīng)過傳播后，由PZT傳感器接收，并通過PXI-6115高速數(shù)據(jù)采集卡采樣后存儲于控制計算機用于后續(xù)分析。試驗中PXI-6115高速數(shù)據(jù)采集卡的采樣率設(shè)為10 MHz。在金屬試樣上安裝數(shù)字顯微鏡，對疲勞裂紋擴展初期形成的亞毫米級微小裂紋進行表面形貌觀察，對疲勞裂紋擴展階段試樣表面形成的宏觀裂紋，利用數(shù)碼相機對疲勞裂紋區(qū)域進行拍照，并配合軟件完成裂紋長度的測量。

3 疲勞裂紋監(jiān)測結(jié)果

從材料學角度，通常將疲勞過程劃分為疲勞裂紋萌生和裂紋擴展2個階段。宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋成核、長大及連接而形成的。在確定疲勞裂紋的萌生階段時尚無統(tǒng)一的裂紋尺度標準，常將起始的裂紋定為疲勞裂紋核，并由此確定出疲勞裂紋的萌生期。而對于疲勞裂紋的擴展階段，又可以細分為裂紋起始(微米量級)、短裂紋(毫米量級)和長裂紋3個階段。

為了充分了解裂紋對導波的影響，首先在初始狀態(tài)下采集基線信號。圖2a顯示了中心頻率為200 kHz的激勵信號，圖2b顯示了原始狀態(tài)下的相應波形信號。然后進行疲勞加載，隨加載周期的增加，采集導波信號。在一定的疲勞周期區(qū)間內(nèi)，暫停載荷，并進行導波信號的采集。此外，利用數(shù)字顯微鏡進行裂縫觀測，為裂縫的發(fā)生和發(fā)展提供參考。在裂紋形成前，將區(qū)間設(shè)置為1 000循環(huán)，并在觀測到裂紋后，將區(qū)間設(shè)置為500循環(huán)。圖3a顯示了裂紋長度隨疲勞周期的增加而變化的情況，顯微鏡觀察到，圖3b顯示了在5 000疲勞周期觀察到裂紋時顯微鏡所拍攝的典型圖像。從圖3a可以看出，在大約4 000的疲勞循環(huán)中，顯微鏡觀察到長度約為0.48 mm的小裂紋。在大約8 000疲勞周期，裂紋長度顯著增加，長度約為2.67 mm。在1萬疲勞循環(huán)后，裂紋的長度增加到6 mm以上，并接近試樣的斷裂失效，從而使疲勞試驗停止。

利用小波變換對導波進行處理，以表征疲勞裂紋的發(fā)生和發(fā)展。以圖2b為例，在裂紋后的波形信號中，給出了在5 000疲勞循環(huán)中得到的波信號，并與從原始狀態(tài)得到的波信號進行了比較。從圖2b可以清楚地看出，裂紋的存在明顯地改變了波的信號。圖4a顯示了健康信號的小波變換譜，圖4b顯示了在5 000疲勞循環(huán)開裂后的散射信號的小波變換譜。圖5顯示了在200 kHz開裂前后所獲得的波信號的小波變換。通過積分方程式(見式2)中定義的小波變換區(qū)域，可以得到每個頻率下的子波能量特征。圖5顯示了裂紋長度的變化特征，可用于表征疲勞裂紋的發(fā)生和擴展。

4 結(jié)語

本文提出了一種利用導波監(jiān)測金屬疲勞裂紋的試驗方法，應用導波對結(jié)構(gòu)中的疲勞微裂紋進行監(jiān)測，確定疲勞裂紋產(chǎn)生與否。建立了由5T疲勞試驗加載裝置和數(shù)碼顯微鏡組成的試驗系統(tǒng)，研究載荷循環(huán)次數(shù)對應力波傳播的綜合影響以及與金屬試件槽邊疲勞裂紋間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。利用小波變換處理裂紋產(chǎn)生前后的應力波信號，提取信號特征，疲勞裂紋的存在進行檢測，并與實際觀測結(jié)果相吻合。試驗結(jié)果表明，提出的檢測方法能夠準確、實時地檢測出疲勞裂紋的存在。