基于振动声调制的板类结构裂纹定位成像

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1、2017年8月北京航空航天大学学报August2017第43卷第8期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．43No．8http：?7bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．caDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0595基于振动声调制的板类结构裂纹定位成像杨晓华1’8，刘学君1，张玎1，辛志东2(1．海军航空工程学院青岛校区航空机械系，青岛266041；2．中航飞机股份有限公司研发中心，汉中723000

2、)摘要：针对线性Lamb波在监测闭合裂纹及微裂纹方面的不足，基于振动声调制理论，提出了一套板类结构中裂纹损伤定位方法。通过分析仅有高频(HF)激励和高低频(HF和LF)同时激励时，声波在含裂纹结构中的传播路径及其信号成分组成，提出了一种含损伤信息信号的提取技术，继而结合延时叠加算法，参考有基准的线性Lamb波损伤定位方法，对板类结构中的疲劳裂纹进行了定位成像。试验证明，该方法可在无需原始健康基准信号的前提下，有效定位出平板结构中的疲劳裂纹，为结构中接触类损伤的定位成像提供了思路。关键词：振动声调制；结构健康监测；延时叠加算法；La

3、mb波；疲劳裂纹监测中图分类号：V219；TB559文献标识码：A文章编号：1001—5965(2017)08—1509．08疲劳开裂是飞机结构失效的主要形式。结构在疲劳载荷的作用下，首先在微观上产生了位错及滑移，继而萌生小裂纹，然后小裂纹扩展至工程裂纹，最后发生疲劳断裂。往往裂纹萌生的时间相对较长，而裂纹扩展至断裂的时间则相对较短，所以及时监测到裂纹的存在对于保证结构的安全极为重要¨。。在此背景下，因难以实现原位监测及在线监测的传统无损检测技术(NDT)无法满足监测需求，而基于超声导波理论的结构健康监测技术则可以弥补其不足旧41

4、。但无论是传统的超声波监测技术及目前较为流行的基于超声的结构健康监测技术，其理论基础均是依靠声波在缺陷处的反射、散射及衰减等线性特征，且可监测的裂纹尺寸理论上不可小于波长的一半。由于真实结构中的疲劳裂纹存在闭合状态，裂纹界面存在接触作用，在裂纹张开及增长到一定尺寸前，声波在裂纹界面的反射及散射不太明显，因此限制了该方法的使用范围¨41。为了解决线性技术在小裂纹及闭合裂纹监测领域的不足，国内外学者们针对超声在小裂纹及疲劳裂纹界面的非线性相应展开了大量研究，发现了部分非线性特征，如高次谐波及1／2分次谐波的产生、直流(DC)效应、慢动

5、效应及振动声调制效应等‘9“o。试验证明，声波在裂纹界面的非线性效应对裂纹更为敏感，因此基于振动声调制效应的损伤监测是一种前景广阔的监测方法⋯。“。目前基于振动声调制进行裂纹监测的研究，主要集中在判断裂纹有无，而在裂纹定位成像方面，开展的研究相对较少¨“。Sohn等通过线性响应减法(LRS)及同步解调的方法，实现了低频基频谐波成分的提取，并以此与基准信号进行比较，确定了裂纹的有无¨⋯；胡海峰通过高通滤波器直接获得了传感信号中的高频基频谐波成分，并以此采用延时叠加算法对板类裂纹进行了成像‘171。焦敬品等采用振动声调制的方法，基于小

6、波变换，分别提取并比较了基准信号与监测信号在低频振动频率的信号成分，并以此进行了接收稿日期：2016-07．13；录用日期：2016-08．11；网络出版时间：2016—10-1709：55网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detaiL／11．2625．V．20161017．0955．007．html基金项目：总装“十二五”预研项目(143092015)$通讯作者：E-mail：1396488951l@163．eom引用格式：杨晓华，刘学君，张玎，等．基于振动声调截昀板类结构裂纹定位成像I

7、]．北京航空航天大学学报

8、，2017，43(8)：1509-1516．YANGXH，LIUXJ，ZHANGD，eta1．Localizationandimagingofcrackdamageinplate·likestructuresbasedonvibro．acousiemodulationlJ]．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2017，43(8)：1509—1516(inChinese)．1510北京航空航天大学学报2017年触类缺陷的成像处理¨⋯。Kim等采用风力发电叶片

9、在工作时的振动作为低频振动，结合振动声调制的方法，实现了风力发电机叶片裂纹的监测¨⋯。上述研究中，普遍需要结构在原始健康状态的健康信号作为基准，而因结构的长时间服役，传感器或者其他与采集信号相关的部件状态会发生改变，故导致采集信号发生畸变，在结构不