导波检测金属构件疲劳裂纹的试验研究

刘丽娜，钱征华，蔡晨宁

(1.南京航空航天大学 航空学院，江苏 南京 210016；2.南京航空航天大学 金城学院，江苏 南京 211156；3.南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京 211106)

在航空、土木、机械等工程领域，由于长期承受交变载荷，材料疲劳损伤是导致结构(部件)服役性能退化的主要原因之一，严重威胁结构本身和人员生命财产的安全。如2002年5月27日，台湾华航一架波音747客机执行最后一次航班任务从台湾飞往香港进行大修，由于金属腐蚀疲劳造成尾翼裂纹，飞机坠入南中国海，225人丧生[1]。因此，如何及时准确检测并识别出结构中存在的疲劳裂纹，并进行持续监测和评估是当前各类工程结构面临的重要课题之一。但是金属构件从疲劳裂纹萌生到发生断裂只发生很小的永久变形，很难事先察觉，是一种极其危险的破坏形式，且由于疲劳裂纹很细小，卸载后裂纹基本闭合，所以很难用传统的无损检测方法及时发现构件中的初期疲劳裂纹[2-3]，对疲劳裂纹进行准确的定性、定量表征则更困难。

结构健康监测系统是综合性的结构监测、评估及预警系统。对结构中的局部损伤尤其是表面微小裂纹的监测是结构健康监测系统中非常重要的一部分。传统的无损检测技术是利用超声波设备在结构中产生弹性波，利用检测仪器，可以有效地探知结构中的损伤情况。然而，由于超声波发生装置体积庞大，安装复杂，不适合在分布式智能结构中广泛采用。近年来，一些学者开始研究附着或嵌入在结构中的微小压电晶体传感器构成分布式结构健康监测系统[4-6]，其具有对微小损伤检测灵敏度高、适用范围广、抗干扰能力强、信号采集和处理方便快捷等优点，在疲劳损伤检测研究中具有广阔的应用前景[7]。

本文提出将导波检测技术和先进数据处理方法(小波分析)相结合的方法，对疲劳载荷下铝合金构件疲劳裂纹的发生和扩展进行在线的持续监测，测试装置是建立在试样上的疲劳载荷，PZT传感器表面安装在试样上，在疲劳试验中激发和接收导波。利用连续小波变换从导波信号中提取特征，表征疲劳微裂纹的存在和扩展给出置信度，并验证了所提出方法的有效性[8]。

1 信号处理与特征提取

在基于导波的结构健康监测中，为了表征损伤的发生和发展，需要从信号中提取损伤特征。通常损伤特征是随损伤的发生和发展而变化的参数。对于采用的信号处理技术来说，所提取的信号特征需要能有效地保留信号的特性，并且具有良好的稳定性[9-10]。本文采用连续小波变换对导波信号进行处理，提取特征，以表明疲劳裂纹的存在和进展。信号的小波变换由如下几方面定义：

(1)

式中，ψ是母小波；a和b被称为尺度和平移参数；上标*表示一个复杂的共轭。在本研究中，采用Gabor小波作为母小波，提供了良好的时频分辨率。

为裂纹检测定义了一个简单的特征，它代表传感器从特定的诊断励磁接收到的能量，并由连续小波变换处理。它在时频域中定义为：

(2)

式中，WE是小波能量的简称，CWT在方程式1中的定义；Vs与波信号相对应；f表示小波能量的计算频率；[ts,te]定义了计算小波能量的时间范围的下限和上限。

2 试验系统

选取牌号为7075的铝合金试件，尺寸为长500 mm×宽20 mm×厚50 mm，通过材料拉伸试验得到铝合金的力学性能为：抗拉强度≥560 MPa，伸长应力≥495 MPa，伸长率≥6%。为了控制铝合金裂纹的产生部位和方向，沿轧制方向截取V形单边缺口试样，高度为5 mm，为了减小试件内部残余应力对疲劳加载试验的影响，对缺口加工后的试样进行去应力退火，在260 ℃保温1.5 h后水冷。在试件的表面，位于缺口两侧各30 mm处，贴有2个直径为10 mm、厚度为1 mm的PZT压电元件，其上下电极导线均可从上表面引出，并使用环氧树脂胶封装PZT压电传感器，分别作为驱动器和传感器，其外形如图1所示。在5T疲劳试验加载系统(见图1)上进行疲劳加载，加载频率为6 Hz，加载波形为正弦波，采取四点等幅弯曲加载方式，载荷跨度为150 mm，支承跨度为350 mm，在最大应力σMAX≥560 MPa、应力比R=0.1条件下进行加载。在疲劳加载过程中裂纹会从缺口位置萌生，而且缺口附近位置的应力超过材料屈服强度，会产生塑性变形，该处所萌生的疲劳裂纹是弹塑性裂纹。疲劳裂纹监测系统则由美国NI公司生产的PXI-5442任意波形发生器、PXI-6115高速数据采集卡组成。在疲劳裂纹监测系统中，PXI-5442任意波形发生器发出所需的诊断信号，由PZT驱动器在试件中激励应力波信号，经过传播后，由PZT传感器接收，并通过PXI-6115高速数据采集卡采样后存储于控制计算机用于后续分析。试验中PXI-6115高速数据采集卡的采样率设为10 MHz。在金属试样上安装数字显微镜，对疲劳裂纹扩展初期形成的亚毫米级微小裂纹进行表面形貌观察，对疲劳裂纹扩展阶段试样表面形成的宏观裂纹，利用数码相机对疲劳裂纹区域进行拍照，并配合软件完成裂纹长度的测量。

3 疲劳裂纹监测结果

从材料学角度，通常将疲劳过程划分为疲劳裂纹萌生和裂纹扩展2个阶段。宏观疲劳裂纹是由微观裂纹成核、长大及连接而形成的。在确定疲劳裂纹的萌生阶段时尚无统一的裂纹尺度标准，常将起始的裂纹定为疲劳裂纹核，并由此确定出疲劳裂纹的萌生期。而对于疲劳裂纹的扩展阶段，又可以细分为裂纹起始(微米量级)、短裂纹(毫米量级)和长裂纹3个阶段。

为了充分了解裂纹对导波的影响，首先在初始状态下采集基线信号。图2a显示了中心频率为200 kHz的激励信号，图2b显示了原始状态下的相应波形信号。然后进行疲劳加载，随加载周期的增加，采集导波信号。在一定的疲劳周期区间内，暂停载荷，并进行导波信号的采集。此外，利用数字显微镜进行裂缝观测，为裂缝的发生和发展提供参考。在裂纹形成前，将区间设置为1 000循环，并在观测到裂纹后，将区间设置为500循环。图3a显示了裂纹长度随疲劳周期的增加而变化的情况，显微镜观察到，图3b显示了在5 000疲劳周期观察到裂纹时显微镜所拍摄的典型图像。从图3a可以看出，在大约4 000的疲劳循环中，显微镜观察到长度约为0.48 mm的小裂纹。在大约8 000疲劳周期，裂纹长度显著增加，长度约为2.67 mm。在1万疲劳循环后，裂纹的长度增加到6 mm以上，并接近试样的断裂失效，从而使疲劳试验停止。

利用小波变换对导波进行处理，以表征疲劳裂纹的发生和发展。以图2b为例，在裂纹后的波形信号中，给出了在5 000疲劳循环中得到的波信号，并与从原始状态得到的波信号进行了比较。从图2b可以清楚地看出，裂纹的存在明显地改变了波的信号。图4a显示了健康信号的小波变换谱，图4b显示了在5 000疲劳循环开裂后的散射信号的小波变换谱。图5显示了在200 kHz开裂前后所获得的波信号的小波变换。通过积分方程式(见式2)中定义的小波变换区域，可以得到每个频率下的子波能量特征。图5显示了裂纹长度的变化特征，可用于表征疲劳裂纹的发生和扩展。

4 结语

本文提出了一种利用导波监测金属疲劳裂纹的试验方法，应用导波对结构中的疲劳微裂纹进行监测，确定疲劳裂纹产生与否。建立了由5T疲劳试验加载装置和数码显微镜组成的试验系统，研究载荷循环次数对应力波传播的综合影响以及与金属试件槽边疲劳裂纹间的关联关系。利用小波变换处理裂纹产生前后的应力波信号，提取信号特征，疲劳裂纹的存在进行检测，并与实际观测结果相吻合。试验结果表明，提出的检测方法能够准确、实时地检测出疲劳裂纹的存在。