Page 51 - 无损检测2021年第十期

崔洪宇, 等:

基于超声水平剪切波的加筋板结构损伤识别

梁的传播过程中, 其会与结构损伤相互作用并发生
模态转换, 而转换形成的 SH 波可用于损伤的定量
评估; LEE 等 [ 10 ] 观察到 SH 波对于焊接结构的完整
性十分敏感, 并将 SH 波应用于焊接结构缺陷的检
测中; YAN 等 [ 11 ] 研究了 SH 波在多层周期性结构
中遇到裂纹后的散射现象; LIU 等 [ 12-13 ] 开展了基于

磁致伸缩 SH 波传感器性能的研究, 并有效地对板
结构的损伤进行了识别。同时, 如何实现高效的
SH 波的激励和接收一直是学者们研究的重点, 基
于压电换能器体积小、 能量转换效率高的特点, 有学
者提出了沿特定方向极化的d36型压电单晶 [ 14-16 ] 和
基于面剪切模式的d24型压电晶片 [ 17 ] , 实现了在特
定方向上 SH 波的激励和接收。为了突破方向性的
限制, HUAN 等 [ 18-19 ] 提出了一种基于厚度剪切式
( d15 ) 的全向型 SH 波压电换能器, 实现了在较宽频
波, 且在各方
段内各方向上激励和接收单模态 SH 0
图1 d15全向型 SH 波压电换能器结构示意
向上具有良好的均一性。
面处电势相等, 因此在换能器上施加电压后, 将会在
现阶段, 国内外对于加筋结构的超声损伤识别
技术主要是基于 Lamb波来实现的, ZHENG 等 [ 20 ] 其内部产生周向电场, 使其发生周向的剪切变形。
由于十二等分切割的全向型 SH 波压电换能器
基于 Lamb波结合定量波前表达式和 ToF ( 飞行时
制备工艺略为繁琐, HUAN 等 [ 23 ] 随后又提出了二等
间) 方法实现了对加筋复合板的损伤检测, 刘国强
分切割的半圆环全向型SH 波压电换能器, 而该型压
等 [ 21 ] 利用 Hilbert 变换提取了 Lamb波波包的能量
电换能器可以实现良好的SH 波激发效果, 并且制备
变换信息, 来监测复合材料 T 型加筋板的损伤,
工艺较为简单, 因此笔者将采用二分之一圆环d15式
MANDAL等 [ 22 ] 基于非线性 Lamb 波的主动感知
全向型SH 波压电换能器作为作动器和传感器。
技术, 识别了加筋金属板中的呼吸裂纹损伤。
综上所述, 笔者基于超声 SH 波传播理论和压 2 离散椭圆算法
电效应原理, 采用d15式全向型 SH 波压电换能器,
基准差法( BaselineSubtraction Method ) 广泛
结合离散椭圆算法对加筋结构损伤识别进行研究,
应用于结构健康监测中 [ 24 ] , 首先将采集结构无损状
针对单损伤问题提出了利用损伤边界效应对损伤进
态下的监测信号S H t 作为基准信号, 然后采集结
()
行精确识别的方法, 针对多损伤问题提出了分区域
构受损后的实时监测信号S D t 并从中减去基准
(),
二次识别方法, 验证了 SH 波在复杂板结构无损检
信号后得到包含有损伤位置和损伤程度信息的差信
测中的工程应用价值。
(),
号S Rt 即可得到经过损伤处的散射信号。
1 d15式全向型SH 波压电换能器 实际检测中, 差信号一般幅值较小且有噪声, 故
根据压电材料的本构方程可知, 压电材料的应 采用连续小波变换( CWT ) 对差信号S R t 进行处
()
变和电通密度由所受的应力和电场两部分影响叠加 理, 得到变换后的信号 X Rt ()
()。通常情况下, X R t
所得, 故其既可用于传感器也可用于作动器, 又因其 包含有串扰信号、 损伤处的散射信号以及结构边界
具有能量转换效率高和材料轻便等特点, 一些学者 处的反射信号, 由于损伤识别时重点关注对象为损
开展 了 应 用 压 电 材 料 激 发 SH 波 的 研 究, 近 年 伤处的散射信号, 为排除其他无关信号对识别结果
HUAN 等 [ 18-19 ] 提出的d15式全向型SH 波压电换能 的影响, 定义权函数ω ( t i ) 如式( 1 ) 所示。
器的结构如图1所示。通过将沿厚度极化的压电陶 0 , t a <t i 或 t i >t b
)
w ( t i = ( 1 )
瓷圆环沿直径等分切割为12块扇形体, 然后在各个 t a ≤t i ≤t b
1 ,
扇形体单元侧面制作电极之后, 按照相邻扇形体极化 式中: t a 为串扰信号的结束时刻; t b 为结构边界反
方向相反的原则重新组装, 由于各个扇形体单元黏接 射信号的起始时刻; t i 为差信号X R t 在时间轴上
()
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2021年 第43卷 第10期
无损检测