板状金属结构健康监测的非线性超声理论与关键技术研究-research on nonlinear ultrasonic theory and key technologies for health monitoring of plate-shaped metal structures.docx

摘要板状或类板状金属结构在各类装备中广泛使用，疲劳裂纹是其主要损伤形式 之一。疲劳裂纹的产生会使结构出现应力集中，若不及时采取措施，裂纹在载荷 作用下会加速扩展，最终造成结构断裂，严重时会导致装备损毁等灾难性事故。 因此，研究疲劳裂纹的早期检测、评估和定位，即结构健康监测理论和技术，对 于确保装备的安全运行具有重要的理论和工程应用价值。早期疲劳裂纹的典型特 征是两个断裂表面相互接触而呈闭合状态，且位置具有隐蔽性，给结构健康监测 带来了困难。非线性超声检测方法利用超声波在结构中传播表现出来的非线性特征来检测 损伤，可以深入到微观层面识别材料的性能退化，对微裂纹和闭合裂纹具有很高 的检测灵敏度。振动声调制是近年来提出的一种非线性超声检测方法，检测过程 中向被测结构同时输入低频振动和高频超声，然后根据测量信号中是否含有振动－超声调制现象来检测结构中是否存在损伤，原理较为简单。但将这种方法应用 于板状金属结构的健康监测，仍有许多问题需要深入研究，包括：损伤产生振动 声调制现象的物理机理、损伤特征与超声非线性信号之间的定量关系、测量信号 的分析方法和损伤评价特征提取方法、局部损伤定位方法等。针对上述问题，本文在湖南省杰出青年科学基金项目的支持下，以板状金属 结构为对象，对振动声调制的物理机理、信号处理算法、以及在早期疲劳裂纹检 测、评估和定位中的应用技术开展了深入的理论和试验研究。主要工作包括：1. 以非线性弹性波动理论为基础，从宏观和微观两个层面分析损伤产生振动 声调制现象的机理。（1）在宏观层面，用非线性系数表征损伤对结构整体力学性能的影响，从材 料的应力－应变本构关系出发，推导了固体介质中的非线性超声波动方程；采用 微扰近似方法对方程进行求解，从理论上解释了损伤导致振动声调制现象的原理， 明确了超声响应特征与非线性系数之间的定量关系；分析了损伤变量与非线性系 数的之间的关系，建立了损伤变量－非线性系数－超声响应特征之间的内在联系。（2）在微观层面，用非线性弹簧模型描述闭合裂纹的力学行为，推导了裂纹 在振动－超声混合作用下的响应特性，得出了局部损伤变量与非线性超声特征之 间的定量关系。2. 研究并提出适用于振动声调制信号处理的时频分析算法。 针对振动声调制信号的非线性、非平稳和复杂调制特性，总结了 Hilbert-Huang变换用于信号解调和时频分析的原理；重点对 Hilbert 变换的局限性进行了分析； 针对其不足，研究并改进了一种称为经验 AM-FM （ amplitude and frequency 第 i 页modulation）解调的单分量信号解调算法；提出了结合经验模式分解和改进经验AM-FM 解调的复杂信号时频分析方法。 数值仿真结果表明，经验模式分解可以自适应地将一个多分量信号分解为若干单分量信号，而改进的经验 AM-FM 解调算法可以有效提取单分量信号的瞬时幅 值和瞬时频率，避免了 Hilbert 变换的近似误差，并能抑制噪声的影响。3. 开展了振动声调制技术在板状金属结构早期疲劳裂纹检测和裂纹扩展过程 评估的试验研究。（1）以工程应用为背景，提出了一种测量材料非线性系数的实用方法，设计 并构建了基于表面粘贴式压电陶瓷片的振动声调制测量系统。（2）开展了基于振动声调制技术的微小疲劳裂纹检测试验研究。（3）对振动声调制信号进行时频分析和 AM-FM 解调，明确了两个波动场之 间的耦合特征；结合理论分析结果和信号的调幅特征，提取了用于疲劳裂纹扩展 过程评估的指标，并利用试验数据验证了其有效性。研究表明，振动声调制技术可有效检测微小疲劳裂纹；板状金属结构中出现 裂纹后，两个波动场之间既存在幅值调制也存在频率调制；基于调幅特征提取的 损伤评价指标可有效评估裂纹的扩展过程。4. 研究并提出一种基于振动声调制特征的板状金属结构局部损伤成像方法。 基于稀疏传感器阵列技术和延时叠加聚焦技术，研究并提出了一种基于测量 信号振动声调制特征的板状金属结构局部损伤成像方法，并进行了试验验证。结果表明，该方法能够以直观的形式表征损伤的位置和尺寸等信息。5. 研究了基于时间反转处理的振动声调制信号聚焦和增强成像方法。（1）利用传递函数模型，对固体板中的线性超声导波时间反转声场进行理论 建模，证实了其自适应时间－空间聚焦效应；对非线性超声导波时间反转声场的 聚焦特性进行了定性分析。（2）试验研究了振动声调制－时间反转声波的聚焦效应，对基于振动声调制－时间反转的增强成像方法进行了探讨。 研究表明，将振动声调制和时间反转方法结合，可以实现声波能量在损伤位置的自适应聚焦，从而提高测量信号的信噪比；根据时间反转声场能量的空间分 布，可以实现损伤的增强成像。关键词：结构健康监测；板状金属结构；非线性超声；振动声调制；疲劳裂 纹；损伤检测；损伤