CN108152375A - 基于超声导波的t型桁条缺陷定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声导波的T型桁条缺陷定位方法，具体步骤:S1：通过半解析有限元方法理论分析得到T型桁条上传播的导波特性；S2：通过频散曲线和波结构选取用于检测的各个频率和模态；S3：在T型桁条端头沿环向布置导波传感器进行导波的激励和接收，传感器通过夹具固定，传感器与桁条表面耦合；S4：使用信号激励设备产生所选取频率的导波信号，S5根据每次选择的激励频率和模态波速通过回波信号和激励信号峰值间的时间差确定损伤的纵向位置，并根据具有不同横向缺陷敏感度的各个频率和模态的检测结果来确定横向缺陷位置。

Description

基于超声导波的T型桁条缺陷定位方法

技术领域

本发明涉及桁条无损检测领域，尤其涉及一种基于超声导波的T型桁条缺陷定位方法。

背景技术

桁条结构广泛的应用于各类航空航天飞行器结构，如飞机的机翼、机身和火箭的箭体等。桁条结构在飞行器中起到支撑蒙皮作用，承受重力、推力、气动阻力等引起轴向拉压以及弯曲、剪切、扭转载荷，并且也可能承受低温引起的应力和疲劳载荷等。复杂的载荷工况极有可能造成桁条产生缺陷，而缺陷会影响桁条的可靠性，甚至会引起桁条结构断裂，导致飞行器结构失效。

2010年11月5日，NASA宣布发现号航天飞机STS-133的发射任务因出现液氢泄漏而暂时取消，直到2011年2月24日才成功发射。据事故检测发现，造成液氢泄漏的原因是两燃料罐箭体结构的铝合金桁条出现长达9英寸的裂纹。所以桁条的缺陷定位对结构的可靠性保证有着重要作用。目前多种检测技术在理论上均可用于桁条结构的缺陷定位，但传统的逐点扫描方式检测时间长、成本高。再加上桁条结构大多布置在难以大范围操作的不可视飞行器结构内，加大了检测的难度。超声导波具有传播速度快、传播距离长、传播衰减小的优势，在管道、铁轨、缆索、锚杆等领域的无损检测中得到了广泛应用。可在很小区域通过传感器激励产生超声导波对结构进行大范围检测，适合用于T型桁条结构的缺陷定位。传统的长距离导波检测只选择某一模态在某一频率的导波信号进行缺陷定位，并且只关注某一种横截面缺陷位置，如铁轨检测，大部分研究都针对铁轨头部缺陷进行缺陷定位。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于超声导波的T型桁条缺陷定位方法，包括以下步骤：

S1：根据T型桁条横截面尺寸、材料密度、弹性模量、泊松比信息通过半解析有限元方法理论分析得到T型桁条上传播的导波特性，导波特性包括频散曲线和波结构；

S2：通过频散曲线和波结构选取用于检测的各个频率和模态，根据不同横向缺陷位置所对应的敏感模态不同，选取每种横向缺陷位置对应的模态进行检测从而判定缺陷横向位置；即波结构所展示的截面内振动位移较大的区域对此区域内的缺陷具有更高的敏感度。

S3：T型桁条端头沿环向布置导波传感器进行导波的激励和接收，传感器通过夹具固定，传感器与桁条表面耦合；

S4：信号激励设备产生所选取频率的导波信号，并通过部分传感器在桁条端部激励出所选取模态的导波，导波沿桁条纵向传播，遇到此模态对应敏感的缺陷时将产生回波，回波信号将被端头传感器接收，并由显示设备和存储设备进行信号显示和数据存储；

S5：据每次选择的激励频率和模态波速通过回波信号和激励信号峰值间的时间差确定损伤的纵向位置，并根据具有不同横向缺陷敏感度的各个频率和模态的检测结果来确定横向缺陷位置。

进一步的，采用半解析有限元方法根据T型桁条横截面尺寸和材料属性计算出桁条导波特性。

进一步的，根据不同模态的波结构特征通过不同的传感器组合激励出选定检测模态的导波。

进一步的，通过多个不同波速模态导波模态与缺陷的相互作用产生的回波多次确定缺陷的纵向位置。

进一步的，多个导波传感器通过夹具紧密均匀布置在桁条端头环向表面。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的基于超声导波的T型桁条缺陷定位方法，本发明利用超声导波具有频散和多模态的特性，根据不同模态不同频率下的导波特性针对不同横截面缺陷位置进行检测和判别，并通过不同波速模态导波模态与缺陷的相互作用产生的回波多次确定缺陷的纵向位置，具体优点有如下三方面：

(1)本方法利用超声导波的优势，通过检测导波在“T”型桁条中传播遇到缺陷产生的回波信号，能够准确、快速地对“T”型桁条进行缺陷定位。无需对桁条进行全范围的逐点检测，只需在桁条端头布置传感器阵列即可对整条桁条进行缺陷定位。本方法解决了桁条在大型结构中不便检测的问题，给予了整体结构一定程度上的可靠性保证。

(2)本方法不但能实现准确的纵向缺陷定位，还可以实现横向缺陷位置判别。根据理论分析得出各模态导波波速，通过各自回波时间可多次计算出缺陷纵向位置；从理论上分析不同模态不同频率的超声导波对桁条不同横向位置的缺陷的敏感性，通过选取的各种模态导波进行多种横向缺陷位置判定。

(3)本方法根据选取模态导波的波结构特性，通过不同传感器组合激励出所选取模态的导波信号，并通过传感器在此接收到缺陷回波信号。检测方式简单、快速、可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明检测“T”型桁条的流程图；

图2是本发明用于检测“T”型桁条缺陷实施例结构示意图；

图3是本发明用于检测“T”型桁条缺陷实施例桁条横截面示意图；

图4是本发明理论计算出“T”型桁条导波频散曲线；

图5是本发明理论计算出“T”型桁条导波部分波结构。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的基于超声导波的T型桁条缺陷定位方法，具体包括以下步骤：

S1：根据T型桁条横截面尺寸、材料密度、弹性模量、泊松比信息通过半解析有限元方法理论分析得到T型桁条上传播的导波特性，导波特性包括频散曲线和波结构；

S2：通过频散曲线和波结构选取用于检测的各个频率和模态，根据不同横向缺陷位置所对应的敏感模态不同，选取每种横向缺陷位置对应的模态进行检测从而判定缺陷横向位置；即波结构所展示的截面内振动位移较大的区域对此区域内的缺陷具有更高的敏感度。

S3：T型桁条端头沿环向布置导波传感器进行导波的激励和接收，传感器通过夹具固定，传感器与桁条表面耦合；

S4：信号激励设备产生所选取频率的导波信号，并通过部分传感器在桁条端部激励出所选取模态的导波，导波沿桁条纵向传播，遇到此模态对应敏感的缺陷时将产生回波，回波信号将被端头传感器接收，并由显示设备和存储设备进行信号显示和数据存储；

S5：据每次选择的激励频率和模态波速通过回波信号和激励信号峰值间的时间差确定损伤的纵向位置，并根据具有不同横向缺陷敏感度的各个频率和模态的检测结果来确定横向缺陷位置。

进一步的，采用半解析有限元方法根据T型桁条横截面尺寸和材料属性计算出桁条导波特性。

进一步的，根据不同模态的波结构特征通过不同的传感器组合激励出选定检测模态的导波。

进一步的，通过多个不同波速模态导波模态与缺陷的相互作用产生的回波多次确定缺陷的纵向位置。实施例：

按照图1所示流程，进行检测实施例。本实施例所检测的“T”型桁条纵向长度为2m，如图2所示。检测工作过程包括：

首先，本实施例“T”型桁条横截面如

图3所示，宽40mm、高35mm、上部厚度4mm、底部厚度2.6mm；材料为铝合金，材料密度2.7g/cm³、弹性模量71GPa、泊松比0.33。根据上述参数通过半解析有限元方法可以分析出“T”型桁条结构上导波的传播特性，得到相应的对称模态频散曲线和纵向即传播方向的波结构，如图4、图5所示。分析各模态导波在不同频率下的波结构分布，选取部分对称模态进行缺陷定位，如表1

表1

再在“T”型桁条上制作不同横截面缺陷位置的缺陷，即顶部缺陷(500mm 处)、腰部缺陷(1000mm处)和底侧部缺陷(1500mm处)，如图2、图3所示。根据表1选取各自的检测模态和频率。

然后按照下述步骤进行缺陷定位实验：

(1)通过专用夹具将26个长度伸缩式导波传感器沿环向均匀固定在“T”型桁条端头表面，如图2、图3所示，耦合方式为干耦合，振动方向为纵向；

(2)将选定频率经过汉宁窗调制的五周期正弦信号通过压电传感器激励出导波信号，导波信号将沿着桁条纵向进行传播，可通过不同的传感器组合来激励所需要的模态导波；

(3)端头传感器接收回波信号，并由显示设备和存储设备进行信号显示和数据存储；

(4)根据每次选择的激励频率和模态波速，通过回波信号和激励信号峰值间的时间差来确定损伤的纵向位置，并根据每个模态对应敏感的缺陷的不同来确定横向缺陷位置，如表2。

表2

分析表2，各纵向位置取均值并对模态进行分析可得：纵向501.1mm处存在顶部缺陷；纵向1004.3mm处存在腰部缺陷；纵向1513.7mm处存在底侧部缺陷。横向类型准确率100％，纵向位置误差分别为0.22％、0.43％、0.91％，精度准确。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于超声导波的T型桁条缺陷定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据T型桁条横截面尺寸、材料密度、弹性模量、泊松比信息通过半解析有限元方法理论分析得到T型桁条上传播的导波特性，导波特性包括频散曲线和波结构；

S2：通过频散曲线和波结构选取用于检测的各个频率和模态，根据不同横向缺陷位置所对应的敏感模态不同，选取每种横向缺陷位置对应的模态进行检测从而判定缺陷横向位置；

S3：在T型桁条端头沿环向布置导波传感器进行导波的激励和接收，传感器通过夹具固定，传感器与桁条表面耦合；

S4使用信号激励设备产生所选取频率的导波信号，并通过部分传感器在桁条端部激励出所选取模态的导波，导波沿桁条纵向传播，遇到此模态对应敏感的缺陷时将产生回波，回波信号将被端头传感器接收，并由显示设备和存储设备进行信号显示和数据存储；

S5根据每次选择的激励频率和模态波速通过回波信号和激励信号峰值间的时间差确定损伤的纵向位置，并根据具有不同横向缺陷敏感度的各个频率和模态的检测结果来确定横向缺陷位置。

2.根据权利要求1所述的基于超声导波的T型桁条缺陷定位方法，其特征还在于，采用半解析有限元方法根据T型桁条横截面尺寸和材料属性计算出桁条导波特性。

3.根据权利要求1所述的基于超声导波的T型桁条缺陷定位方法，其特征还在于，根据不同模态的波结构特征通过不同的传感器组合激励出选定检测模态的导波。

4.根据权利要求1所述的基于超声导波的T型桁条缺陷定位方法，其特征还在于，通过多个不同波速模态导波模态与缺陷的相互作用产生的回波多次确定缺陷的纵向位置。

5.根据权利要求1所述的基于超声导波的T型桁条缺陷定位方法，其特征还在于，多个导波传感器通过夹具紧密均匀布置在桁条端头环向表面。