CN102967656A - 利用Lamb波能量传播衰减谱的工程结构裂纹损伤检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用Lamb波能量传播衰减谱的工程结构裂纹损伤检测方法，步骤是：在待检测的工程结构上确定检测路径，在路径上选取激励信号加载点和多个响应信号采集点，激励信号加载点与响应信号采集点处于同一直线；在激励信号加载点激发出Lamb波，同时，依次在各响应信号采集点采集结构的响应信号；提取所有响应信号中同一模式的波包能量作为特征参数，按照各响应信号对应的传播距离，得到该模式信号的能量传播衰减谱；根据能量传播衰减谱中的突变情况，完成工程结构的裂纹检测。此方法以选定Lamb波模式的波包能量为特征参数，根据检测路径上Lamb波能量传播衰减谱中的突变，发现和检测裂纹损伤，提高检测系统的效率和稳定性。

Description

利用Lamb波能量传播衰减谱的工程结构裂纹损伤检测方法

技术领域

本发明涉及一种板壳类工程结构主动Lamb波裂纹检测的方法。

背景技术

随着对结构安全性、可靠性要求的不断提高，结构损伤的检测和诊断日益引起人们的高度重视，尤其是针对裂纹损伤的检测，为了防止结构损伤所带来的灾难或损失，必须对结构进行有效的快速检测。

板壳类结构是较为典型的一种工程结构，裂纹损伤是该类结构的一种常见损伤形式。由于在板壳类结构中激发超声波时，会形成Lamb波导波，传播特性十分复杂，常规的超声波技术难以直接进行损伤检测；同时，超声波探伤主要是依靠反射波来反映损伤情况，需要逐点进行扫描，而当结构尺寸较大时，这样的逐点检测的方式效率很低，而且复杂的结构形式往往会进一步限制检测点，如大角度弯曲；此外，当裂纹损伤往往会平行于入射波方向，很难引起入射方向的反射。Lamb波是导波的一种，具有衰减慢、传播距离远、对微小损伤敏感等特点，单个点激发出的Lamb波可以向四周扩散传播，摆脱了对方向的限制，因此近些年来被研究用于结构损伤在线诊断与监测，尤其针对板壳类工程结构。采用Lamb波技术对裂纹进行检测是当前的一个研究热点，然而，目前该领域大多数的研究成果都是采用损伤状态与健康状态下的响应信号进行对比，根据信号差异实现裂纹损伤的检测，这种以健康状态下的响应信号为基准的检测方法，实用性也较差，尤其是已经发生裂纹损伤的结构，由于无法获取到基准信号，也就无法对已有损伤进行检测和评估。

基于以上考虑，本发明人对现有的Lamb波板壳类结构裂纹损伤检测方法进行了改进，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种利用Lamb波能量传播衰减谱的工程结构裂纹损伤检测方法，其以选定Lamb波模式的波包能量为特征参数，根据检测路径上Lamb波能量传播衰减谱中的突变，发现和检测裂纹损伤，提高检测系统的效率和稳定性。

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种利用Lamb波能量传播衰减谱的工程结构裂纹损伤检测方法，包括如下步骤：

（1）在待检测的工程结构上确定一条检测路径，以该路径的一端作为激励信号加载点，并在路径上按照一定的间隔确定n个响应信号采集点S_i，其中i＝1，2，3，…，n，n为自然数，激励信号加载点与响应信号采集点S_i处于同一直线；

（2）在激励信号加载点利用超声探头在待检测的工程结构中激发出Lamb波，同时，依次在各响应信号采集点采集结构的响应信号f_i，其中i＝1，2，3，…，n，具体内容为：

（21）通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声激励信号加载到位于激励加载点A的超声探头上，以一定的时间间隔，向结构中激发激励信号，并在结构中产生一定模式的Lamb波；

（22）采用另一超声探头，依次在选定的信号采集点S_i上采集结构响应信号f_i，所有响应信号的采集均以步骤（21）中的激励信号为触发信号，以保证各信号采样时刻的一致性；

（3）提取所有响应信号f_i中同一模式的波包能量作为特征参数，按照各响应信号对应的传播距离，得到该模式信号的能量传播衰减谱；

（4）根据步骤（3）得到的Lamb波选定模式能量传播衰减谱中存在的突变情况，检测出当前检测路径下的结构裂纹损伤的发生和位置；

（5）选择检测路径的另一端为激励信号加载点，重复上述（1）-（4）步骤，完成检测路径反方向上的裂纹检测；

（6）在检测范围内选择确定另一条检测路径，重复上述（1）-（5）步骤，直至完成工程结构待检测范围内所有路径和位置的裂纹检测，对于同一位置的裂纹损伤，进一步根据不同方向上Lamb波能量传播衰减谱的突变大小，判断裂纹损伤的方向。

上述步骤（21）中，所述的激励信号为窄带信号，选择其合适的中心频率选择以激发出单一模式或以某种模式为主的Lamb波信号。

上述步骤（4）和（5）中，根据Lamb波波包能量传播衰减谱中的快速衰减拐点，确定裂纹损伤的位置，并以衰减幅度最大的检测路径垂直方向为裂纹方向。

采用上述方案后，本发明所借用的基本原理是：Lamb波在结构中传播时会遍布结构的每个点，且衰减较慢，传播距离较远，对微小损伤敏感，而结构的裂纹损伤往往会造成结构的中断或不连续。而根据Lamb波传播的基本原理，当传播介质出现中断或不连续时，大多数的Lamb波信号会因受到阻碍而难以继续向前传播，即使裂纹宽度很窄，只要其长度大于Lamb波波长，就会造成在传播前进方向上的Lamb波出现十分明显的衰减。基于此，在结构中激发出模式简单的Lamb波导波，并在其传播路径上按照一定的间隔，采集结构中不同点的响应信号，根据他们的幅值（能量）变化情况，得到Lamb波信号传播的衰减情况，如果发现在传播路径上的某个点开始出现明显的能量衰减，就可以确定，在该位置区域之前出现了传播介质的中断或不连续，也就是裂纹损伤。而结构的分支（如肋、加强筋）由于不会造成传播介质的中断，只会引起Lamb波能量的部分转移，而不会引起显著的衰减，且这些部位一般是已知的，因此不会对检测结果产生影响。

本发明可以有效地实现工程结构裂纹损伤的快速检测和定位，有利于保障工程结构的安全性。

附图说明

图1是本发明中利用Lamb波能量传播衰减谱裂纹检测的基本原理示意图；

图2是本发明中实施例试件以及激励信号加载点和响应信号采集点示意图；

图3是本发明中窄带激励信号的波形时域图；

图4是本发明中第1、3、5、7响应信号采集点得到的结构响应信号，其中点化线框中为选定的Lamb波模式波包；

图5是本发明中第1、3、5、7响应信号采集点得到的结构响应信号能量包络，其中点化线框中为选定的Lamb波模式波包；

图6是根据图4、图5选定Lamb波模式波包能量，得到的Lamb波能量传播衰减谱，图中虚线指示了裂纹损伤的位置。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的实现过程进行详细说明，检测原理和过程如图1所示，其中，M表示超声探头，N表示工程结构中的裂纹，实线箭头表示Lamb波前向传播，虚线箭头表示从裂纹处反射的Lamb波信号。

本发明提供一种利用Lamb波能量传播衰减谱的工程结构裂纹损伤检测方法，包括如下步骤：

（1）选用钢质与铸铁混合工程结构作为本实施例试件，该结构具有一定的复杂程度，其结构示意图如图2所示，由于厚度有限，采用传统的超声波检测技术时，超声回波信号容易与激励信号发生混叠；更为严重的是，可能发生的裂纹往往与超声波入射波方向平行，难以产生明显的反射波信号，从而影响了检测效果和准确性。采用本发明所提供的技术方案，在待检测的工程结构上，确定沿长度方向的检测路径（此处可根据结构尺寸和检测范围确定自己感兴趣的检测路径，并不受本实施例限制）。考虑到本实施例主要是为了说明本发明的基本原理和过程，且该试件为条形，主要受扭矩作用，因此将检测任务简化为一维情况，仅在长度方向上设定一条检测路径。具体而言，以检测路径的左端为坐标原点和激励信号加载点A，在路径上按照一定的间隔确定8个响应信号采集点S_i，其中i＝1，2，3，…,8，加载点A与信号采集点S_i处于同一直线，各响应信号采集点的标号以及到激励信号加载点的距离如图2和表1所示；

表1

信号采集点	距离/cm
		1	2.7
2	5.4
		3	8.1
4	10.8
		5	11.7
6	13.5
		7	14.4

8

15.3

（2）选用如图3所示的窄带信号，信号中心频率选定为200kHz，在激励信号加载点A利用超声探头以50Hz的速率（时间间隔0.02s）在结构中激发出Lamb波，此时，激发出的Lamb波模式以A₀和S₀模式为主，信号较为简单；同时，依次在各响应信号采集点采集结构的响应信号f_i，其中i＝1，2，3，…，8，在采集过程中，各响应信号均设定以激励信号为触发信号，因此可以保证各信号在时间序列上的同步性，得到的典型响应信号如图4所示；

该步骤的详细内容是：

（21）通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声激励信号加载到位于激励加载点A的超声探头上，以一定的时间间隔，向结构中激发激励信号，并在结构中产生一定模式的Lamb波；

（22）采用另一超声探头，依次在选定的信号采集点S_i上采集结构响应信号f_i，所有响应信号的采集均以步骤（21）中的激励信号为触发信号，以保证各信号采样时刻的一致性；

（3）考虑到采用窄带激励信号存在多个波包，不易确定其峰值点，因此采用Hilbert变换求取各响应信号的包络，典型响应信号包络如图5所示；选择所有响应信号f_i中S₀模式的波包幅值（表示能量），按照各响应信号对应的传播距离，得到该模式信号的能量传播衰减谱，如图6所示；

（4）根据步骤（3）得到的Lamb波选定模式能量传播衰减谱，可以发现，该衰减谱曲线在响应信号采集点6和7之间发生明显的下降和突变，信号的能量发生了迅速的衰减，由此可以确定在这两个响应信号采集点之间出现了裂纹损伤，而真实裂纹位于距离激励信号加载点14cm处，正处在这两个采集点之间，如图6中虚线所指，据此可以检测出当前检测路径下的结构裂纹损伤的发生和位置。

对于较大尺寸和范围的结构件，可以增加检测路径，对感兴趣的区域进行进一步的检测和损伤定位。

综上所述，本发明所提供的方法具有以下优点：

（1）本发明的方法提供了一种板壳类工程结构裂纹检测的新方法，克服了传统超声检测技术对板壳类工程结构裂纹损伤检测敏感性低的问题，提高了对裂纹损伤检测的准确性和稳定性；

（2）本发明的方法的实现过程较为简单，操作也较简单，对信号处理设备的要求不高，易于实现；

（3）本发明的方法对检测设备的要求较低，可以直接采用传统的超声探头检测设备和硬件系统；

（4）本发明的方法可以实现工程结构的现场快速检测，检测效率较高，且不影响结构的正常运行；

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用Lamb波能量传播衰减谱的工程结构裂纹损伤检测方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）在待检测的工程结构上确定一条检测路径，以该路径的一端作为激励信号加载点，并在路径上按照一定的间隔确定n个响应信号采集点S_i，其中i＝1，2，3，…，n，n为自然数，激励信号加载点与响应信号采集点S_i处于同一直线；

（2）在激励信号加载点利用超声探头在待检测的工程结构中激发出Lamb波，同时，依次在各响应信号采集点采集结构的响应信号f_i，其中i＝1，2，3，…，n，具体内容为：

（21）通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声激励信号加载到位于激励加载点A的超声探头上，以一定的时间间隔，向结构中激发激励信号，并在结构中产生一定模式的Lamb波；

（22）采用另一超声探头，依次在选定的信号采集点S_i上采集结构响应信号f_i，所有响应信号的采集均以步骤（21）中的激励信号为触发信号，以保证各信号采样时刻的一致性；

（3）提取所有响应信号f_i中同一模式的波包能量作为特征参数，按照各响应信号对应的传播距离，得到该模式信号的能量传播衰减谱；

（4）根据步骤（3）得到的Lamb波选定模式能量传播衰减谱中存在的突变情况，检测出当前检测路径下的结构裂纹损伤的发生和位置；

（5）选择检测路径的另一端为激励信号加载点，重复上述（1）-（4）步骤，完成检测路径反方向上的裂纹检测；

（6）在检测范围内选择确定另一条检测路径，重复上述（1）-（5）步骤，直至完成工程结构待检测范围内所有路径和位置的裂纹检测，对于同一位置的裂纹损伤，进一步根据不同方向上Lamb波能量传播衰减谱的突变大小，判断裂纹损伤的方向。

2.如权利要求1所述的利用Lamb波能量传播衰减谱的工程结构裂纹损伤检测方法，其特征在于：所述步骤（21）中，所述的激励信号为窄带信号，选择其合适的中心频率选择以激发出单一模式或以某种模式为主的Lamb波信号。

3.如权利要求1所述的利用Lamb波能量传播衰减谱的工程结构裂纹损伤检测方法，其特征在于：所述步骤（4）和（5）中，根据Lamb波波包能量传播衰减谱中的快速衰减拐点，确定裂纹损伤的位置，并以衰减幅度最大的检测路径垂直方向为裂纹方向。

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