基于小波时频分析的疲劳损伤定量表征

来源：林丛林, 方舟 时间：2024-11-01 作者：无损检测招聘网 浏览量：

液压油管以及高速列车车轴等圆管结构长期在交变应力的工况下服役,应力集中的位置容易出现裂纹,最终造成管道失效[1]。超声导波作为一种快速、简便、长距离的无损检测方法,广泛应用于圆管结构的缺陷检测。传统的线性超声对疲劳裂纹不敏感,而非线性超声对疲劳裂纹有较高的灵敏度[2-5]。LIM[6]等研究了二次谐波的产生需要满足的必要条件,即基频和二倍频的导波相速度相近和非零能流。PRUELL等[7]基于纵向导波波动方程,根据非线性应力-应变关系,求解出了二次谐波的理论大小,并提出了非线性大小的指标。HONG等[8]利用PRUELL提出的非线性指标,研究了板中Lamb波与疲劳裂纹作用下非线性指标的变化规律,表明非线性超声导波在疲劳裂纹检测中具有良好的应用潜力。

然而,上述研究提出的利用接触非线性衡量疲劳裂纹损伤程度的方法,虽然在一定程度上有效,但是传统的利用快速傅里叶（FFT）获取谐波信息计算非线性指标的方法难免会受到其他噪声信号的影响。GUAN等[9]使用短时傅里叶（STFT）分析圆管结构中的导波信号,并将其中的基频信号与二次谐波信号提取出来计算非线性指标。该方法可以有效排除其他时间位置处的噪声信号。但短时傅里叶由于加窗的窗口长度不可调,会损失部分有用的时域信息。

文章针对上述不足,在利用接触非线性表征疲劳裂纹损伤程度的基础上,提出一种新的计算非线性指标的方法。利用小波变换对信号进行时频分析,提取其中的基频和二倍频的频率分量用于计算非线性指标。为了验证该方法的有效性,对不同长度疲劳裂纹的圆管有限元模型中的超声导波信号进行时频分析,比较不同方法计算出的非线性指标的大小,以此衡量不同方法对疲劳裂纹的敏感程度。结果表明,所提方法与传统的快速傅里叶和短时傅里叶相比,对疲劳裂纹更加敏感。

1. 基本理论

1.1 接触非线性的表征

非线性的机制复杂,有时类似的非线性效应可以通过不同的物理机制表现出来[10]。其中,经典非线性弹性力学和CAN（接触声学非线性）普遍存在于具有初始疲劳裂纹和腐蚀坑等微尺度损伤的工程结构中,并且通常同时存在。此外,当接触非线性与材料非线性共同存在时,由微裂纹引起的非线性要比材料非线性对导波造成更明显的非线性扰动[11],因此接下来将着重介绍接触非线性。

在金属管道服役期间产生的疲劳损伤,会由于金属内部交变载荷产生的微空洞相互聚合,形成微裂纹。超声波与微裂纹界面相互作用时,传播特性会发生变化,这种现象称为接触非线性[12]。当超声波传播导致的质点位移处于拉伸状态时,微裂纹的界面会张开,此时导波无法传播过去,而质点位移处于压缩状态时,微裂纹的界面又会闭合,此时导波可以传播,就导致了接触非线性的产生,这种现象称之为呼吸作用[13]。因此,在损伤尖端附近的塑性形变区内,会产生较为强烈的非线性扰动[14-17]。非线性扰动会导致超声导波中出现高次谐波,因此可以通过时频分析导波检测信号中的倍频分量来判断导波传播过程中是否受到了非线性扰动。而衡量接触非线性,则需要在此引入非线性声学指标[18],该指标广泛应用于板中的非线性评测,可表示为

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