張衛(wèi)方，徐多，劉雪蓉，冉允萌，王翔宇

(1.北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京，100191；2.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京，100191；3.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京，100191)

鋁合金是一種輕質(zhì)高強(qiáng)度合金材料，具有高比強(qiáng)度、優(yōu)異的加工性能、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、軌道交通等領(lǐng)域[1-4]。高鐵列車作為一種運(yùn)輸工具，其運(yùn)行環(huán)境包括我國各種復(fù)雜氣候環(huán)境，大氣復(fù)雜的環(huán)境因素及車身內(nèi)部微環(huán)境形成的嚴(yán)酷條件均會(huì)導(dǎo)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(jié)構(gòu)性能下降，嚴(yán)重影響動(dòng)車組列車的服役壽命[3-4]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一種新的判斷結(jié)構(gòu)健康與損傷狀態(tài)的檢測方法，其特點(diǎn)是把傳感器布置到結(jié)構(gòu)中，能夠按照需求提供任意時(shí)刻的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)信息[5]。壓電傳感器作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中常用的傳感器之一，已有大量學(xué)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(dòng)式傳感器裂紋檢測試驗(yàn)，分析裂紋的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測。HALL等[7-10]設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程傳感器陣列對(duì)大型板狀結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在金屬腐蝕損傷監(jiān)測領(lǐng)域相關(guān)研究較少，對(duì)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(shí)用的識(shí)別方法。針對(duì)以上問題，對(duì)鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)例如孔結(jié)構(gòu)的損傷類型識(shí)別有待深入研究。本文在含孔結(jié)構(gòu)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(kuò)展，提取Lamb波在不同類型損傷條件下的損傷信號(hào)進(jìn)行分析，提出鋁合金孔結(jié)構(gòu)損傷類型識(shí)別及定量表征方法。

1 基于Lamb 波的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法

1.1 Lamb波在結(jié)構(gòu)中的傳播

Lamb 波是一種典型的在2 個(gè)平行自由表面?zhèn)鞑サ某暡ò宀ǎ湓诮Y(jié)構(gòu)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(dāng)激勵(lì)頻率小于700 kHz 時(shí)，Lamb 波只出現(xiàn)基礎(chǔ)對(duì)稱模態(tài)S0和基礎(chǔ)反對(duì)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(hào)進(jìn)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(shí)別方法

損傷診斷流程如圖2所示。首先，為降低監(jiān)測復(fù)雜度，根據(jù)材料尺寸設(shè)計(jì)稀疏傳感器網(wǎng)絡(luò)。然后，設(shè)計(jì)激勵(lì)信號(hào)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(hào)。選取Lamb波特定模式的波包，并確定其在時(shí)間頻域圖上的到達(dá)位置，包括到達(dá)時(shí)間、周期以及結(jié)束時(shí)間。提取信號(hào)的幅值、相位角和相關(guān)系數(shù)等特征量，觀察特征量的變化規(guī)律以對(duì)損傷類型進(jìn)行定性判斷。最后，建立損傷定量表征模型對(duì)損傷尺寸進(jìn)行預(yù)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(hào)的特征參數(shù)包含飛行時(shí)間、幅值、衰減、頻率、相位、頻譜等，這些參數(shù)在結(jié)構(gòu)損傷前后捕獲的信號(hào)中會(huì)發(fā)生不同程度的變化[5]。損傷識(shí)別中的信號(hào)特征參數(shù)選取原則是提取對(duì)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(duì)其進(jìn)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(jì)算出損傷因子。與信號(hào)能量相關(guān)的損傷因子Id常用計(jì)算公式為

式中：f0(t)為無損傷結(jié)構(gòu)中捕捉的信號(hào)幅值；f1(t)為損傷結(jié)構(gòu)中捕獲的Lamb 波信號(hào)幅值；t0和t1分別為信號(hào)采集的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。

選取Lamb波信號(hào)對(duì)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(xiàng)式函數(shù)和傅里葉函數(shù)對(duì)腐蝕直徑、腐蝕深度、裂紋長度及其DIA 分別進(jìn)行擬合，比較擬合結(jié)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(xiàng)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(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料與方法

鋁合金2024-T3 板厚2 mm，試件設(shè)計(jì)圖與實(shí)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(gè)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(shè)計(jì)圖與實(shí)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?jǐn)?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(yù)置孔中流出，用奧斯邦環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠將PVC管底部固定在孔邊腐蝕處，腐蝕孔背面用結(jié)構(gòu)膠粘貼塑料片封住。待結(jié)構(gòu)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(dāng)管內(nèi)不再產(chǎn)生氣泡時(shí)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(fù)以上腐蝕步驟，獲得不同面積的腐蝕損傷，進(jìn)行5次腐蝕實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(duì)于腐蝕裂紋擴(kuò)展損傷，采取上述腐蝕方法在預(yù)制孔邊制造直徑為20 mm 的腐蝕損傷。為了能較快地實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展，預(yù)先在鋁合金板中心通孔平行于試樣短邊的一側(cè)用電火花切割1 個(gè)長×寬為1.0 mm×0.2 mm 的預(yù)制裂紋，使得疲勞裂紋沿著預(yù)制裂紋的方向擴(kuò)展。最后，采用液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)逐漸施加載荷，疲勞載荷的最大應(yīng)力設(shè)置為80 MPa，疲勞載荷的頻率為5 Hz，應(yīng)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(kuò)展損傷。

2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

采用六邊形傳感器網(wǎng)絡(luò)，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(duì)傳感器路徑進(jìn)行分類，如表1所示。當(dāng)路徑距離小于120 mm 時(shí)，Lamb 波S0和A0模態(tài)波包到達(dá)時(shí)間重疊過多，波包無法完全分離；當(dāng)路徑距離較長大于120 mm 時(shí)，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(hào)對(duì)損傷的敏感程度。WANG 等[12]采用同樣的六邊形傳感器網(wǎng)絡(luò)并針對(duì)路徑1-4，2-5 和3-6 進(jìn)行分析，最終發(fā)現(xiàn)路徑2-5 的距離對(duì)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(hào)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(lì)信號(hào)設(shè)計(jì)

使用Acellent 公司生產(chǎn)的ScanGenie-II 集成結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測掃描系統(tǒng)采集信號(hào)。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(hào)發(fā)生器、連接器和試驗(yàn)試件，如圖5所示。首先，對(duì)完好的鋁合金板采集1組健康信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，鋁合金板損傷后，采集損傷信號(hào)，對(duì)比健康信號(hào)和損傷信號(hào)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(hào)采集3次取平均值。

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

激勵(lì)信號(hào)為平滑的五波峰漢寧窗正弦脈沖信號(hào)，為了最大程度地減小信號(hào)頻散效應(yīng)，設(shè)置其幅值為±60 V，激勵(lì)頻率為50～200 kHz，步長為10 kHz，采樣點(diǎn)10 000 個(gè)，采樣頻率分別為12×106s-1和24×106s-1，激勵(lì)信號(hào)的表達(dá)式如下：

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

3 試驗(yàn)結(jié)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(hào)時(shí)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(shí)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(duì)沖擊損傷、復(fù)合材料分層和腐蝕損傷敏感，而S0模式對(duì)金屬結(jié)構(gòu)中的裂紋損傷更敏感[13]。在腐蝕裂紋擴(kuò)展條件下，Lamb波S0和A0模態(tài)時(shí)間頻域圖如圖7所示。從圖7可見：在50～200 kHz激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，當(dāng)激勵(lì)頻率為170 kHz時(shí)，S0模態(tài)直達(dá)波對(duì)裂紋擴(kuò)展損傷產(chǎn)生規(guī)律性變化，而在其他頻率下，如190 kHz時(shí)，S0模態(tài)直達(dá)波未對(duì)裂紋擴(kuò)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(shí)間頻域圖如圖8 所示。從圖8 可見：在50～200 kHz 激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，在激勵(lì)頻率為90 kHz 時(shí)，A0模態(tài)直達(dá)波在腐蝕損傷增大時(shí)產(chǎn)生規(guī)律性變化，而在其他頻率下，如140 kHz時(shí)，A0模態(tài)直達(dá)波對(duì)裂紋擴(kuò)展或腐蝕損傷尺寸增加都不敏感。

圖7 在腐蝕裂紋擴(kuò)展條件下Lamb波S0和A0模態(tài)時(shí)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(shí)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(dá)波對(duì)腐蝕所致裂紋損傷敏感，而A0模式直達(dá)波對(duì)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(lì)頻率170 kHz、采樣頻率12×106s-1條件下的Lamb 波信號(hào)研究S0模式波包對(duì)腐蝕所致裂紋擴(kuò)展損傷的敏感程度，選取激勵(lì)頻率90 kHz、采樣頻率24×106s-1條件下的Lamb波信號(hào)研究A0模式對(duì)腐蝕面積和腐蝕深度增加損傷的敏感程度，以上試驗(yàn)采樣點(diǎn)均為10 000個(gè)。

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(duì)于結(jié)構(gòu)的厚度變化更為敏感，有利于腐蝕缺陷的識(shí)別[5]，而S0模式對(duì)裂紋更敏感，有利于腐蝕裂紋的識(shí)別[13]。因此，當(dāng)只有腐蝕損傷存在時(shí)，A0模式直達(dá)波信號(hào)幅值呈現(xiàn)規(guī)律性變化，當(dāng)腐蝕所致裂紋擴(kuò)展損傷存在時(shí)，S0模式直達(dá)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(dāng)腐蝕直徑由16 mm 增加到49 mm 時(shí)，健康狀態(tài)與損傷狀態(tài)的A0模式直達(dá)波最高峰幅值逐漸增加。氫氟酸腐蝕溶液腐蝕鋁板時(shí)反應(yīng)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(duì)材料及結(jié)構(gòu)特性靈敏度高的超聲導(dǎo)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(dāng)Lamb波信號(hào)發(fā)生疊加時(shí)，幅值會(huì)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(duì)Lamb信號(hào)的影響呈上升趨勢，因此，各損傷狀態(tài)A0模式直達(dá)波信號(hào)幅值逐漸增加。

從圖9(b)可見，當(dāng)腐蝕深度由0.60 mm增加到1.68 mm 時(shí)，各損傷狀態(tài)的Lamb 波A0模式直達(dá)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(dá)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(duì)較大，Lamb波在粗糙腐蝕表面處的信號(hào)反射疊加效應(yīng)較大，因此，損傷初期的A0模式直達(dá)波幅值較健康狀態(tài)的直達(dá)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(shí)粗糙表面對(duì)Lamb 波信號(hào)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(dá)波幅值逐漸小于健康狀態(tài)的A0模式直達(dá)波幅值，最終A0模式直達(dá)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(dāng)腐蝕所致裂紋長度由5.61 mm 擴(kuò)展到40.50 mm 時(shí)，各損傷狀態(tài)的S0模式直達(dá)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(duì)Lamb 波信號(hào)的影響大于腐蝕損傷對(duì)Lamb 信號(hào)的影響，并且Lamb波信號(hào)的傳播在裂紋處中斷，信號(hào)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(dá)波幅值逐漸減小。

綜上所述，據(jù)Lamb波的基礎(chǔ)對(duì)稱模式和基礎(chǔ)反對(duì)稱模態(tài)信號(hào)可以識(shí)別鋁合金薄板結(jié)構(gòu)上各種類型的損傷。Lamb 波S0模式信號(hào)對(duì)裂紋損傷敏感，Lamb波A0模式直達(dá)波對(duì)腐蝕損傷敏感，并且據(jù)A0模態(tài)直達(dá)波可識(shí)別不同腐蝕損傷類型，據(jù)S0和A0模式信號(hào)參數(shù)變化可預(yù)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(kuò)展、腐蝕面積增加以及腐蝕深度增大的Lamb 波信號(hào)特征參數(shù)。對(duì)于腐蝕所致裂紋擴(kuò)展損傷，經(jīng)過多次預(yù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)裂紋長度最小為5.61 mm 時(shí)，損傷能被識(shí)別。選取Lamb波信號(hào)對(duì)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(shí)值，其幅值損傷因子與裂紋長度的關(guān)系曲線如圖10(a)所示。

選取Lamb波信號(hào)對(duì)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(duì)于腐蝕面積擴(kuò)展損傷定量，經(jīng)過多次預(yù)試驗(yàn)，當(dāng)腐蝕直徑最小為16 mm 即腐蝕面積最小為122.5 mm2時(shí)，腐蝕面積損傷能被識(shí)別。線性擬合模型校正確定系數(shù)為0.9310，接近真實(shí)值，其幅值損傷因子與腐蝕面積的關(guān)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(guān)系曲線Fig.10 Relation curves of damage factor and corrosion crack length,area and depth

計(jì)算腐蝕深度損傷因子時(shí)，以初次腐蝕為基準(zhǔn)計(jì)算腐蝕深度。經(jīng)過多次預(yù)試驗(yàn)，當(dāng)腐蝕深度最小為0.60 mm時(shí)，腐蝕深度損傷能被識(shí)別。二次多項(xiàng)式擬合模型校正確定系數(shù)為0.920，接近真實(shí)值，其幅值損傷因子與腐蝕深度關(guān)系曲線如圖10(c)所示。

4 結(jié)論

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

2)S0模態(tài)直達(dá)波對(duì)腐蝕所致疲勞裂紋擴(kuò)展損傷敏感，隨裂紋擴(kuò)展，S0模態(tài)直達(dá)波幅值逐漸降低；A0模態(tài)直達(dá)波對(duì)腐蝕損傷敏感，隨腐蝕面積增大，A0模式直達(dá)波幅值逐漸增加；隨腐蝕深度增加，A0模式直達(dá)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(xiàng)式擬合模型可定量表征腐蝕深度變化趨勢。