基于壓電傳感器的鋁合金孔結構損傷識別方法

張衛(wèi)方，徐多，劉雪蓉，冉允萌，王翔宇

(1.北京航空航天大學可靠性與系統(tǒng)工程學院，北京，100191；2.北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京，100191；3.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京，100191)

鋁合金是一種輕質(zhì)高強度合金材料，具有高比強度、優(yōu)異的加工性能、耐腐蝕等優(yōu)點，作為結構材料被廣泛應用于航空航天、汽車工業(yè)、軌道交通等領域[1-4]。高鐵列車作為一種運輸工具，其運行環(huán)境包括我國各種復雜氣候環(huán)境，大氣復雜的環(huán)境因素及車身內(nèi)部微環(huán)境形成的嚴酷條件均會導致車體材料出現(xiàn)不同程度老化、腐蝕破壞或疲勞裂紋，使結構性能下降，嚴重影響動車組列車的服役壽命[3-4]。結構健康監(jiān)測技術是一種新的判斷結構健康與損傷狀態(tài)的檢測方法，其特點是把傳感器布置到結構中，能夠按照需求提供任意時刻的結構健康狀態(tài)信息[5]。壓電傳感器作為結構健康監(jiān)測中常用的傳感器之一，已有大量學者開展了基于壓電傳感器的損傷監(jiān)測研究。SHEN等[6]通過壓電晶片主動式傳感器裂紋檢測試驗，分析裂紋的擴展，實現(xiàn)對結構損傷的監(jiān)測。HALL等[7-10]設計遠程傳感器陣列對大型板狀結構進行持續(xù)、長期的監(jiān)控，使用壓電傳感器陣列在5 mm厚的鋁合金板中檢測腐蝕損傷。目前，基于壓電傳感器的結構健康監(jiān)測技術在金屬腐蝕損傷監(jiān)測領域相關研究較少，對于腐蝕類型定性研究以及腐蝕疲勞裂紋監(jiān)測，目前還未見到實用的識別方法。針對以上問題，對鋁合金復雜結構例如孔結構的損傷類型識別有待深入研究。本文在含孔結構的2024-T3鋁合金板上制造不同類型損傷包括腐蝕面積增加、腐蝕深度增加和腐蝕所致裂紋擴展，提取Lamb波在不同類型損傷條件下的損傷信號進行分析，提出鋁合金孔結構損傷類型識別及定量表征方法。

1 基于Lamb 波的結構損傷識別方法

1.1 Lamb波在結構中的傳播

Lamb 波是一種典型的在2 個平行自由表面?zhèn)鞑サ某暡ò宀?，其在結構中傳播的完整性通常以一系列分散曲線的形式描述，每條曲線代表一種特定的模式，這就是Lamb 波的頻散特性[5]。2 mm厚鋁板的Lamb波頻散曲線如圖1所示，當激勵頻率小于700 kHz 時，Lamb 波只出現(xiàn)基礎對稱模態(tài)S0和基礎反對稱模態(tài)A0這2種模式，無其他模式波包干擾。選低頻階段的Lamb波可減少模式混合，有利于提取各模態(tài)信號進行觀察[11]。

圖1 2 mm厚鋁板的Lamb波頻散曲線Fig.1 Lamb wave dispersion curves on aluminum plate with thickness of 2 mm

1.2 損傷模式識別方法

損傷診斷流程如圖2所示。首先，為降低監(jiān)測復雜度，根據(jù)材料尺寸設計稀疏傳感器網(wǎng)絡。然后，設計激勵信號的中心頻率、周期、調(diào)制方法以及采樣頻率并采集多組信號。選取Lamb波特定模式的波包，并確定其在時間頻域圖上的到達位置，包括到達時間、周期以及結束時間。提取信號的幅值、相位角和相關系數(shù)等特征量，觀察特征量的變化規(guī)律以對損傷類型進行定性判斷。最后，建立損傷定量表征模型對損傷尺寸進行預測。

圖2 診斷流程Fig.2 Diagnosis processes

1.3 基于特征參數(shù)的損傷定量模型

Lamb 波信號的特征參數(shù)包含飛行時間、幅值、衰減、頻率、相位、頻譜等，這些參數(shù)在結構損傷前后捕獲的信號中會發(fā)生不同程度的變化[5]。損傷識別中的信號特征參數(shù)選取原則是提取對損傷參數(shù)變化最敏感的特征，這些特征通常被稱為損傷因子(DI)。提取健康狀態(tài)和各損傷狀態(tài)下的S0或A0模態(tài)波包對其進行希爾伯特黃變換(Hilbert-Huang transform,HHT)，并提取變換后的波包最大峰值計算出損傷因子。與信號能量相關的損傷因子Id常用計算公式為

式中：f0(t)為無損傷結構中捕捉的信號幅值；f1(t)為損傷結構中捕獲的Lamb 波信號幅值；t0和t1分別為信號采集的起始時間和結束時間。

選取Lamb波信號對損傷敏感的波包的幅值腐蝕特征因子(DIA)即歸一化幅值作為特征量。采用線性函數(shù)、二次多項式函數(shù)和傅里葉函數(shù)對腐蝕直徑、腐蝕深度、裂紋長度及其DIA 分別進行擬合，比較擬合結果發(fā)現(xiàn)，腐蝕直徑及其DIA 宜采用線性函數(shù)擬合：

腐蝕深度及其DIA宜采用二次多項式函數(shù)擬合：

裂紋長度及其DIA宜采用傅里葉函數(shù)擬合：

2 試驗設計

2.1 試驗材料與方法

鋁合金2024-T3 板厚2 mm，試件設計圖與實物圖如圖3 所示。圖中，?為直徑。在鋁板中心通孔周圍粘貼布置6 個直徑為8 mm 的壓電傳感器，傳感器布局采用一發(fā)一收的形式。

圖3 試件設計圖與實物圖Fig.3 Diagram and real layout of testing specimen

在鋁板正中央直徑為10 mm 的圓形通孔處制造不同類型的腐蝕損傷。腐蝕過程如下：將質(zhì)量分數(shù)為40%氫氟酸溶液和水以體積比1∶2混合配置成腐蝕溶液，選取耐腐蝕PVC 管作為腐蝕容器，為防止腐蝕液從容器和預置孔中流出，用奧斯邦環(huán)氧樹脂結構膠將PVC管底部固定在孔邊腐蝕處，腐蝕孔背面用結構膠粘貼塑料片封住。待結構膠凝固后，用醫(yī)用注射器每次吸取8 mL 腐蝕溶液完全注入PVC 腐蝕液管中。通過氫氟酸接觸鋁板表面產(chǎn)生腐蝕，當管內(nèi)不再產(chǎn)生氣泡時完成腐蝕。最后去掉PVC管、玻璃膠和塑料片。

采用不同直徑的PVC 管粘貼在中孔處，重復以上腐蝕步驟，獲得不同面積的腐蝕損傷，進行5次腐蝕實驗，得到直徑分別為16，23，30，39 和49 mm的腐蝕面積損傷。為獲得不同深度的腐蝕損傷，采用直徑為20 mm 的PVC 腐蝕液管，并固定腐蝕裝置位置，通過控制腐蝕溶液與腐蝕區(qū)域接觸時間得到深度分別為0.60，1.20，1.38，1.58 和1.68 mm的腐蝕損傷。對于腐蝕裂紋擴展損傷，采取上述腐蝕方法在預制孔邊制造直徑為20 mm 的腐蝕損傷。為了能較快地實現(xiàn)疲勞裂紋擴展，預先在鋁合金板中心通孔平行于試樣短邊的一側用電火花切割1 個長×寬為1.0 mm×0.2 mm 的預制裂紋，使得疲勞裂紋沿著預制裂紋的方向擴展。最后，采用液壓疲勞試驗機逐漸施加載荷，疲勞載荷的最大應力設置為80 MPa，疲勞載荷的頻率為5 Hz，應力比為0.1，最終得到長度分別為5.61，7.94，10.28，12.10，15.70，21.34，32.23 和40.50 mm的裂紋擴展損傷。

2.2 傳感器網(wǎng)絡設計

采用六邊形傳感器網(wǎng)絡，共15 條傳感路徑，傳感器路徑圖如圖4所示。根據(jù)路徑距離以及該路徑是否穿過損傷對傳感器路徑進行分類，如表1所示。當路徑距離小于120 mm 時，Lamb 波S0和A0模態(tài)波包到達時間重疊過多，波包無法完全分離；當路徑距離較長大于120 mm 時，Lamb 波S0和A0模態(tài)波包可較完整分離[5]。但距離為120 mm 和133 mm 的路徑未直接穿過損傷，無法直接探索信號對損傷的敏感程度。WANG 等[12]采用同樣的六邊形傳感器網(wǎng)絡并針對路徑1-4，2-5 和3-6 進行分析，最終發(fā)現(xiàn)路徑2-5 的距離對損傷的敏感程度均很高。因此，本研究后續(xù)選取路徑2-5 展開信號分析。

圖4 傳感器路徑圖Fig.4 Sensor layout

表1 傳感器路徑名稱及其距離Table 1 Sensor pathand distance

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)和激勵信號設計

使用Acellent 公司生產(chǎn)的ScanGenie-II 集成結構健康監(jiān)測掃描系統(tǒng)采集信號。該系統(tǒng)包括ScanGenie-II 壓電監(jiān)測裝置、壓電傳感器、數(shù)字采集軟件、信號發(fā)生器、連接器和試驗試件，如圖5所示。首先，對完好的鋁合金板采集1組健康信號作為基準信號，鋁合金板損傷后，采集損傷信號，對比健康信號和損傷信號的差異，判斷試件損傷現(xiàn)象。為了減少人為操作帶來的誤差，每組信號采集3次取平均值。

圖5 信號監(jiān)測裝置Fig.5 Experiment device

激勵信號為平滑的五波峰漢寧窗正弦脈沖信號，為了最大程度地減小信號頻散效應，設置其幅值為±60 V，激勵頻率為50～200 kHz，步長為10 kHz，采樣點10 000 個，采樣頻率分別為12×106s-1和24×106s-1，激勵信號的表達式如下：

式中：fc為激勵信號的中心頻率；N為波峰數(shù)；A為信號能量幅值；H(t)為Heaviside階躍函數(shù)。

3 試驗結果與分析

3.1 損傷類型定性

圖6 所示為路徑2-5 上Lamb 波信號時間頻域圖?？梢姡篖amb 波S0模態(tài)波包只在150～200 kHz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)，而A0模態(tài)波包在50～200 kHz 頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)。

圖6 路徑2—5上的Lamb波時間頻域圖Fig.6 Time frequency domain diagram of Lamb wave at path 2—5

已有研究表明，Lamb 波A0模式對沖擊損傷、復合材料分層和腐蝕損傷敏感，而S0模式對金屬結構中的裂紋損傷更敏感[13]。在腐蝕裂紋擴展條件下，Lamb波S0和A0模態(tài)時間頻域圖如圖7所示。從圖7可見：在50～200 kHz激勵頻率范圍內(nèi)，當激勵頻率為170 kHz時，S0模態(tài)直達波對裂紋擴展損傷產(chǎn)生規(guī)律性變化，而在其他頻率下，如190 kHz時，S0模態(tài)直達波未對裂紋擴展或腐蝕增加損傷產(chǎn)生規(guī)律性變化。在腐蝕損傷條件下，Lamb波S0和A0模態(tài)時間頻域圖如圖8 所示。從圖8 可見：在50～200 kHz 激勵頻率范圍內(nèi)，在激勵頻率為90 kHz 時，A0模態(tài)直達波在腐蝕損傷增大時產(chǎn)生規(guī)律性變化，而在其他頻率下，如140 kHz時，A0模態(tài)直達波對裂紋擴展或腐蝕損傷尺寸增加都不敏感。

圖7 在腐蝕裂紋擴展條件下Lamb波S0和A0模態(tài)時間頻域圖Fig.7 Time frequency domain diagram of Lamb wave S0 and A0 mode under corrosion crack propagation

圖8 在腐蝕損傷條件下Lamb波A0模態(tài)時間頻域圖Fig.8 Time frequency domain diagram of Lamb wave S0 and A0 mode under corrosion damage

由此可見，Lamb 波S0模態(tài)直達波對腐蝕所致裂紋損傷敏感，而A0模式直達波對腐蝕損傷敏感，兩者幅值出現(xiàn)規(guī)律性變化。因此，選取激勵頻率170 kHz、采樣頻率12×106s-1條件下的Lamb 波信號研究S0模式波包對腐蝕所致裂紋擴展損傷的敏感程度，選取激勵頻率90 kHz、采樣頻率24×106s-1條件下的Lamb波信號研究A0模式對腐蝕面積和腐蝕深度增加損傷的敏感程度，以上試驗采樣點均為10 000個。

不同頻率及損傷狀態(tài)下的Lamb波S0和A0模式波形如圖9所示。從圖9可見：在相同頻率下，與S0模式相比，A0模式具有更高的幅度；隨頻厚積變化，Lamb波A0模式的群速度變化比S0模式的群速度變化更加明顯。這表明在同一頻率下，Lamb波的A0模式對于結構的厚度變化更為敏感，有利于腐蝕缺陷的識別[5]，而S0模式對裂紋更敏感，有利于腐蝕裂紋的識別[13]。因此，當只有腐蝕損傷存在時，A0模式直達波信號幅值呈現(xiàn)規(guī)律性變化，當腐蝕所致裂紋擴展損傷存在時，S0模式直達波呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

圖9 不同頻率及損傷狀態(tài)下的Lamb波S0和A0模式波形Fig.9 S0 and A0 mode of Lamb wave under different frequencies and damage

從圖9(a)可見，當腐蝕直徑由16 mm 增加到49 mm 時，健康狀態(tài)與損傷狀態(tài)的A0模式直達波最高峰幅值逐漸增加。氫氟酸腐蝕溶液腐蝕鋁板時反應劇烈，在鋁板表面產(chǎn)生許多凹凸不平的微型腐蝕坑，使得鋁板表面粗糙程度增加。Lamb波是一種對材料及結構特性靈敏度高的超聲導波，其在粗糙的腐蝕表面容易發(fā)生反射、折射、疊加或模式轉(zhuǎn)換，當Lamb波信號發(fā)生疊加時，幅值會呈現(xiàn)增大的趨勢[14-18]。隨腐蝕面積增加，表面粗糙度大的部分占比逐漸增大，對Lamb信號的影響呈上升趨勢，因此，各損傷狀態(tài)A0模式直達波信號幅值逐漸增加。

從圖9(b)可見，當腐蝕深度由0.60 mm增加到1.68 mm 時，各損傷狀態(tài)的Lamb 波A0模式直達波最高峰幅值逐漸減小，但與健康狀態(tài)相比，各損傷狀態(tài)的A0模式直達波最高峰幅值先增加后降低。由于深度損傷初期，腐蝕深度較小，但腐蝕面積相對較大，Lamb波在粗糙腐蝕表面處的信號反射疊加效應較大，因此，損傷初期的A0模式直達波幅值較健康狀態(tài)的直達波幅值大。隨腐蝕深度增大，腐蝕損傷面積固定，即粗糙的腐蝕表面占比固定，此時粗糙表面對Lamb 波信號影響逐漸減小，Lamb波在損傷處更多地發(fā)生能量衰減，各損傷狀態(tài)的A0模式直達波幅值逐漸小于健康狀態(tài)的A0模式直達波幅值，最終A0模式直達波幅值呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

從圖9(c)和圖9(d)可見，當腐蝕所致裂紋長度由5.61 mm 擴展到40.50 mm 時，各損傷狀態(tài)的S0模式直達波最高峰幅值逐漸減小。由于腐蝕損傷尺寸固定，而裂紋尺寸不斷增加，裂紋損傷對Lamb 波信號的影響大于腐蝕損傷對Lamb 信號的影響，并且Lamb波信號的傳播在裂紋處中斷，信號能量在裂紋處發(fā)生衰減，因此，隨裂紋長度增加，S0模式直達波幅值逐漸減小。

綜上所述，據(jù)Lamb波的基礎對稱模式和基礎反對稱模態(tài)信號可以識別鋁合金薄板結構上各種類型的損傷。Lamb 波S0模式信號對裂紋損傷敏感，Lamb波A0模式直達波對腐蝕損傷敏感，并且據(jù)A0模態(tài)直達波可識別不同腐蝕損傷類型，據(jù)S0和A0模式信號參數(shù)變化可預測損傷發(fā)展趨勢。

3.2 損傷定量表征

選取鋁合金孔邊腐蝕所致裂紋擴展、腐蝕面積增加以及腐蝕深度增大的Lamb 波信號特征參數(shù)。對于腐蝕所致裂紋擴展損傷，經(jīng)過多次預實驗，當裂紋長度最小為5.61 mm 時，損傷能被識別。選取Lamb波信號對裂紋損傷敏感的S0模式波包幅值損傷因子作為特征量，傅里葉擬合模型校正確定系數(shù)為0.979 4，接近真實值，其幅值損傷因子與裂紋長度的關系曲線如圖10(a)所示。

選取Lamb波信號對腐蝕敏感的A0波包的幅值腐蝕損傷因子即歸一化幅值作為特征量。對于腐蝕面積擴展損傷定量，經(jīng)過多次預試驗，當腐蝕直徑最小為16 mm 即腐蝕面積最小為122.5 mm2時，腐蝕面積損傷能被識別。線性擬合模型校正確定系數(shù)為0.9310，接近真實值，其幅值損傷因子與腐蝕面積的關系曲線如圖10(b)所示。

圖10 損傷因子與腐蝕裂紋長度、腐蝕面積和腐蝕深度關系曲線Fig.10 Relation curves of damage factor and corrosion crack length,area and depth

計算腐蝕深度損傷因子時，以初次腐蝕為基準計算腐蝕深度。經(jīng)過多次預試驗，當腐蝕深度最小為0.60 mm時，腐蝕深度損傷能被識別。二次多項式擬合模型校正確定系數(shù)為0.920，接近真實值，其幅值損傷因子與腐蝕深度關系曲線如圖10(c)所示。

4 結論

1)提出了一種基于Lamb波的鋁合金含孔結構腐蝕損傷識別方法。通過分析鋁合金含孔結構中Lamb波S0模態(tài)和A0模態(tài)的特征參數(shù)，可識別其腐蝕過程中的面積增加、深度增大與裂紋擴展所致的損傷。

2)S0模態(tài)直達波對腐蝕所致疲勞裂紋擴展損傷敏感，隨裂紋擴展，S0模態(tài)直達波幅值逐漸降低；A0模態(tài)直達波對腐蝕損傷敏感，隨腐蝕面積增大，A0模式直達波幅值逐漸增加；隨腐蝕深度增加，A0模式直達波幅值逐漸降低。

3)提取S0模態(tài)波包幅值損傷因子建立傅里葉擬合模型可定量表征裂紋長度變化趨勢；提取A0模態(tài)波包幅值損傷因子建立線性擬合模型可定量表征腐蝕面積變化趨勢；建立二次多項式擬合模型可定量表征腐蝕深度變化趨勢。