利用Lamb波反射场的工程结构裂纹损伤监测评估方法

摘要

本发明公开一种利用Lamb波反射场的工程结构裂纹损伤监测评估方法，步骤是：在待测结构上布置激励器，布置一组压电传感器组成线性传感阵列；在传感阵列中分别选择各压电传感器作为传感器，组建监测通道；分别采集各监测通道在结构健康状态下的Lamb波基准响应信号及结构损伤状态下的Lamb波响应信号；提取出对应通道下的损伤反射和散射信号，并根据所在传感器坐标位置，重建Lamb波损伤反射和散射信号在线性传感阵列上的能量场投影；根据能量场投影长度，以及基于Lamb波的反射的激励点-损伤-传感阵列之间的几何关系实现损伤长度的评估，从而分析、判定被监测结构的健康情况。此方法可实现对裂纹损伤的在线实时监测与定量评估，有助于结构健康监测的实用化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用Lamb波反射场对工程结构裂纹损伤进行监测与评估的方法。

背景技术

随着对结构安全性、可靠性要求的不断提高，结构损伤的在线监测和诊断日益引起人们的高度重视，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监测。结构健康监测(SHM)由于在保障结构安全、降低人员和财产损伤方面具有很高的意义，在航空航天、海上运输、民用工程上都得到了广泛的重视和研究。

在现有的健康监测技术研究中，由于对微小损伤敏感、传播距离远等优点，Lamb波技术被认为是最具应用前景的技术之一。自上世纪90年代以来，经过多年的研究积累，Lamb波健康监测在传感器技术、监测信号处理、损伤定位与成像等多个方面取得了长足的进步，然而，受Lamb波多模及频散复杂传播特性、以及损伤监测机理等方面的影响和限制，对损伤的评估研究成果还较困难，尤其是对裂纹损伤的评估与监测。裂纹损伤是金属结构中出现的一种典型损伤形式，一般由疲劳引起，大多呈线型，由于其尖端受力较大，往往扩展很快，如果不能及时地发现并动态监测出裂纹的扩展情况，结构会迅速地断裂失效，后果将十分严重，往往造成难以估计的人员和财产损失。常规的无损监测技术受场地、使用条件等因素的影响，难以实现在线监测，而目前所采用的主动Lamb波损伤在线监测技术中，为了提高效率，传感器阵列大多为稀疏阵列，各传感器分布较为分散，空间分辨率也就很差，一般只能监测出损伤的存在和位置，难以定量的诊断出裂纹的长度或范围，从而难以对损伤情况作出正确的判断。

基于以上考虑，本发明人针对主动Lamb波损伤的评估方法进行研究，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波反射场的工程结构裂纹损伤监测评估方法，其可实现对裂纹损伤的在线实时监测与定量评估，有助于结构健康监测的实用化。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种利用Lamb波反射场的工程结构裂纹损伤监测评估方法，包括如下步骤：

（1）在待测结构上，根据监测区域大小，布置激励器A，沿平行于裂纹损伤或可能发生裂纹损伤的方向布置一组压电传感器组成线性传感阵列，激励器与传感阵列处于损伤的同一侧；

（2）在传感阵列中分别选择各压电传感器S_i作为传感器，组建监测通道A-S_i，其中i=1,2,3，...；

（3）采集结构健康状态下各监测通道的Lamb波基准响应信号h_i，i=1,2,3，...；

（4）采集结构损伤状态下各监测通道的Lamb波响应信号d_i，i＝1,2,3，...；

（5）根据各监测通道损伤前后Lamb波基准响应信号h_i和Lamb波响应信号d_i，提取出对应通道下的损伤反射和散射信号，并根据所在传感器坐标位置，重建Lamb波损伤反射和散射信号在线性传感阵列上的能量场投影；

（6）根据前述Lamb波损伤反射和散射信号的重建能量场投影长度，以及基于Lamb波的反射的激励点-损伤-传感阵列之间的几何关系实现损伤长度的评估，从而分析、判定被监测结构的健康情况。

上述步骤（3）的详细步骤是：

（31）在结构健康状态下，将Lamb波超声激励信号加载到激励器A上，在结构中激发Lamb波信号；

（32）依次选取传感阵列中的各压电传感器S_i，其中i=1，2，3，...，采集得到A激励下的所有监测通道A-S_i下的Lamb波基准响应信号h_i。

上述步骤（31）中，所述的激励信号为窄带信号，以激发出单模式为主的Lamb波结构响应信号。

上述步骤（4）的详细步骤是：

（41）当结构发生损伤时，将步骤（31）所述Lamb波超声激励信号加载到作为激励的传感器A上，在结构中激发Lamb波信号；

（42）依次选取传感阵列中的各压电传感器S_i，其中i=1，2，3，...，采集得到A激励下的所有监测通道A-S_i下的Lamb波响应信号d_i。

上述步骤（5）的详细步骤为：

（51）将步骤（3）中得到的Lamb波基准响应信号h_i与步骤（4）中得到的Lamb波响应信号d_i相减，得到相应的差信号j_i，i=1,2,3，...；

（52）求取所有监测通道下的差信号j_i中损伤反射和散射信号峰值，得到对应传感器位置上的损伤反射和散射信号的能量值p_i；

（53）以传感阵列中各传感器的位置为X轴，对应传感器采集到的损伤反射和散射信号能量p_i为Y轴，建立坐标系，重建还原损伤反射和散射信号的能量场能量。

上述步骤（6）的详细步骤为：

（61）根据监测通道下的差信号j_i中损伤反射和散射信号波包的传播时间t_i，以及激励器和传感阵列的相对位置，确定在垂直于损伤和传感阵列方向上激励器到损伤和到传感阵列的距离之和d；

（62）根据距离之和d以及激励到传感阵列的距离d0，得出损伤到传感阵列的距离d1，以及损伤到激励器的距离d2；

（63）根据Lamb波损伤反射和散射信号的重构能量场投影，确定其能量场在传感阵列上的投影长度s_p，以及激励点-损伤-传感阵列之间的几何关系，计算出裂纹损伤长度s_d值为d2/(d1+d2)×s_p。

采用上述方案后，本发明采用线性传感阵列技术，在现有Lamb波结构损伤监测设备条件基础上，捕获裂纹损伤产生的Lamb波反射和散射信号能量场分布，并在对应传感器所在位置还原重构该能量场在线性阵列上的投影，进而通过激励器、裂纹以及线阵上的能量投影之间的几何关系，实现裂纹损伤的监测与评估。

本发明具有以下优点：

（1）本发明的方法可实现对裂纹损伤的监测与长度评估，有助于对结构安全状态的评估和剩余寿命预测，有利于Lamb波结构健康监测技术的实用化；

（2）本发明的方法可以实现对裂纹损伤扩展的动态监测，有利于保障结构安全性、避免人员与财产损失；

（3）本发明的方法实现简单，在实现过程中无需更改或增加设备和参数，利用现有Lamb波损伤监测硬件系统就可以实现。

附图说明

图1a是本发明中Lamb波传播与反射示意图；

图1b是图1a中激励器、裂纹以及传感阵列之间的几何关系示意图；

图2是本发明实施例中试件结构以及激励器与传感阵列的布局示意图；

图3是本发明实施例中窄带激励信号的波形时域图；

图4是在图3所示窄带信号激励下典型结构Lamb波响应信号波形图；

图5是采用本发明方法中损伤反射和散射信号波包能量提取图；

图6是采用本发明方法重构的损伤反射与散射信号能量场投影图；

图中：曲线中的“.”表示传感器所在位置上的损伤反射与散射信号能量重构幅值（曲线中的点）。

具体实施方式

本发明提供一种利用Lamb波反射场的工程结构裂纹损伤监测评估方法，其基本原理是：根据Lamb波在裂纹损伤处的反射和散射传播原理，当激励器距离较远时，入射信号以近似平行波形式在裂纹损伤处发生反射，并伴随端点效应，在端点处产生以端点为圆心的散射信号场，这些信号经过叠加形成了与裂纹长度有关的Lamb波反射场。根据图1a、1b所示的传播过程示意图，反射场的分布以及范围与裂纹长度相关。因此，在平行于裂纹损伤的方向上布置传感器线阵，采集裂纹损伤产生的Lamb波反射和散射信号场，在各传感器位置上将对应传感点得到的损伤反射和散射信号能量峰值进行重构，可以得到裂纹损伤反射与散射信号在传感阵列上的投影，进一步根据激励器-裂纹损伤-重构反射场三者之间的几何关系，就可以监测和估算出裂纹损伤的情况。

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明：

首先需要说明的是，以下所述的激励信号指的是用来激发Lamb波的信号形式，监测信号是指在结构中激发出的并传播的波信号，用来实现对损伤的监测。简单地说，激励信号是输入，监测信号是输入的响应，结构响应信号是最终的输出。

如图2所示，是本发明所采用的一个实施例的试件及压电阵列布局，其中试件为铝板，尺寸为800mm×800mm×2mm。

本实施例包括下列步骤：

（1）如图2所示，在待测铝板结构上，以试件板中心点为坐标原点建立直角坐标系，设定损伤中心点位于（0mm，-152mm）处，平行于x轴、长度为140mm。据此将激励器A设置于（0mm,50mm)处，在以（0mm，-2mm）为中心、平行于x轴的直线上，每隔4mm布置传感点，组建线性传感阵列，传感点数量共计54个，激励器与传感阵列处于损伤的同一侧；

根据图1所示的监测原理图，激励器到传感阵列以及损伤的垂直距离分别为d0和d2，传感阵列到损伤的间距为d1，根据波的传播与反射原理，当裂纹长度为s_d时，激励器产生的Lamb波激励信号在裂纹损伤处发生反射和散射的信号，传播到传感阵列时的投影宽度s_p与裂纹长度s_d之间存在如下几何关系：

$>\frac{s_p}{s_d}=\frac{d1+d2}{d2}---\left(1\right)$>

因此，当监测出s_p时，可以根据式（1）计算得到裂纹损伤的长度为：

$>s_d=\frac{d2}{d1+d2}\times s_p---\left(2\right)$>

（2）在传感阵列中分别选择各压电传感器S_i作为传感器，组建监测通道A-S_i（i=1,2,3，...，54），共计54组通道。

（3）采集结构健康状态下各监测通道的Lamb波基准响应信号h_i，i=1,2,3，...，54。

首先，选择如图3所示的中心频率为200kHz的窄带调制信号，沿垂直于板平面方向加载到激励器A上，在结构中激发出以A₀模式为主的Lamb波监测信号。

依次选取传感阵列中的各压电传感器S_i，采集得到A激励下的所有监测通道A-S_i下的Lamb波基准响应信号h_i，其中i=1，2，3，...，54，为了实现各传感信号的时间同步性，采集过程中均采用如图3所示的激励信号为触发信号。

（4）采集结构损伤状态下各监测通道的Lamb波响应信号d_i。当结构发生损伤时，重复步骤（3）的过程，采集得到结构损伤状态下，A激励下的所有监测通道A-S_i下的Lamb波响应信号d_i，i=1,2,3，...，54。

结构损伤前后的典型Lamb波响应信号如图4所示，相对于直达波信号，损伤反射和散射信号的传播距离较远，信号波包较为独立的出现在信号当中，便于辨认和提取。

（5）对照步骤（3）和（4）得到的各监测通道损伤前后Lamb波基准响应信号h_i和Lamb波响应信号d_i，提取出对应通道下的损伤反射和散射信号j_i，并对其中包含的裂纹损伤反射和散射信号波包能量进行提取。由于本实施例中的损伤反射和散射信号波包比较明显，因此这部分信号的能量提取可以直接在结构损伤状态下的Lamb波响应信号中实现。采用了Hilbert变换提取出响应信号的包络，以损伤反射和散射波包包络峰值为能量值p_i，如图5所示，并根据其所在传感器坐标位置，重建Lamb波损伤反射和散射信号在线性传感阵列上的能量场投影，如图6所示。

具体的实现方式是：

（51）将步骤（3）中得到的Lamb波基准响应信号h_i与步骤（4）中得到的结构当前状态下的Lamb波响应信号d_i相减，得到相应的差信号j_i，i＝1,2,3，...；

（52）求取所有监测通道下的差信号j_i中损伤反射和散射信号峰值，得到对应传感器位置上的损伤反射和散射信号的能量值p_i；

（53）以传感阵列中各传感器的位置为X轴，对应传感器采集到的损伤反射和散射信号能量p_i为Y轴，建立坐标系，重建还原损伤反射和散射信号的能量场能量；

（6）根据激励点、损伤以及传感阵列中心点所在直线关系，可知传感阵列中心传感点得到的损伤反射和散射信号波包的传播时间，即为监测信号在垂直于损伤方向上沿激励器A-裂纹损伤-传感阵列的传播时间，该值为0.1257ms，再根据Lamb波信号传播速度c=2800mm/ms，计算出激励器-损伤-传感阵列的距离之和d=2800×0.1257=352mm，即为激励信号沿垂直于裂纹损伤到达传感阵列的传播时间与传播速度的乘积；

根据距离值d以及激励到传感阵列的距离d0=52mm，根据几何关系得出损伤到传感阵列的距离d1=(352-52)/2=150mm，以及损伤到激励器的距离d2=d0+d1=52+150=202mm；

根据图6所示的Lamb波损伤反射和散射信号的重构能量场投影（图中虚线框表示投影范围），以能量峰值的40%为阈值，确定其能量场在传感阵列上的投影长度s_p=244mm，并根据如式（1）、（2）描述的激励点-损伤-传感阵列之间的几何关系，计算出裂纹损伤长度s_d值为d2/(d1+d2)×s_p=140.2mm。该监测值与真实值基本吻合，裂纹长度监测结果与真实值对照如表1所示。

表1

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。