板壳类金属结构健康监测的非线性调制导波理论与方法研究

Plate-like metallic structure is widely used in various engineering equipments. Fatigue cracking is one of the main damage types in such structure. To ensure structural and operational safety, it is important to research structural health monitoring (SHM) techniques to detect, assess and locate fatigue cracks at the early stage online and actively. However, plate-like structure's area is usually large, and the initial fatigue cracks in it are closed, i.e. the interfaces contact each other. Besides, these cracks are usually hidden deep in structure. These characteristics are much challenging for current SHM techniques. Vibro-acoustic modulation (VAM), which is an emerging nonlinear ultrasonic technique, has been proved highly sensitive to micro-scale and closed cracks. Furthermore, Guided ultrasonic wave has demonstrated great potential for damage monitoring of large area structures owing to its long-distance propagation, but still have some problems for closed cracks detection and identification. This research will combine VAM and guided wave techniques for fatigue crack monitoring of plate-like metallic structure. The main contents including the underlying physical mechanism of damage-induced VAM effect, signal processing approaches of testing signals, and the key techniques for early crack detection, evaluation and location. The above research may afford a new methodology for SHM of Plate-like metallic structure.

板壳类金属结构在各类装备和工业产品中广泛使用，疲劳裂纹是其主要损伤形式之一。采用一定的手段在线、主动地实施疲劳裂纹的早期检测、评估和定位，即结构健康监测，是确保装备安全运行的基础。板壳类结构一般面积较大，其早期疲劳裂纹的典型特点是两个断裂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。振-声调制是近年来提出的一种非线性超声方法，对微裂纹和闭合裂纹具有很高的检测灵敏度；而超声导波由于衰减小、传播距离远的特点适合于大面积固体板结构的在线、主动损伤监测，但在检测和识别闭合裂纹方面还存在较多问题。本项目将两种方法的优点结合，以超声导波的振-声调制效应为基础，对振动-超声导波调制的物理机理、测量信号处理算法、以及在板壳类金属结构疲劳裂纹早期检测、定量评价和定位中的应用开展理论、方法和试验研究。旨在为板壳类金属结构的疲劳损伤监测和健康评估提供一新的技术途径。

针对板壳类金属结构中的疲劳裂纹监测问题，将超声导波适合大面积结构损伤监测与非线性声波对损伤的敏感性相结合，以导波的振-声调制（VAM）效应为基础，研究了振动-超声混频应力波与损伤的相互作用机理、信号处理算法，及其在板壳类金属结构损伤检测、定量评价和定位中的相关理论和方法；对VAM方法在管道损伤检测中的应用进行了探索。主要研究内容和成果包括：.1. 振动-超声混频应力波与裂纹的相互作用机制及传播规律.（1）以粗糙界面接触理论和声场散射理论为基础，研究了裂纹对混频声场的非线性散射效应及损伤表征方法；分析了自由和受载两种条件下损伤变量－VAM测量信号的内在联系。.（2）通过数值仿真分析了薄板和管道中导波的频散和波结构特性；通过有限元仿真研究了损伤对导波传播的影响规律。.2. 结构损伤非线性的VAM测量方法及信号处理算法.（1）设计了基于压电传感器阵列的VAM测量系统，提出了适用于损伤检测和评估的双谐波激励以及适用于损伤定位的谐波+脉冲激励模式。.（2）研究两种激励模式下VAM响应信号的时频分布和调制特性，提出了适用于上述响应信号分析和特征提取的算法。.3. 基于VAM效应的疲劳裂纹检测和评估方法.（1）利用建立的VAM测量系统对金属板和管道中的微裂纹进行了检测试验，对影响VAM检测性能的因素进行了探讨。.（2）对外部负载作用下疲劳裂纹的扩展评估问题，从疲劳裂纹的扩展机理出发分析了在塑性致闭效应和外部载荷共同影响下裂纹对VAM信号的影响规律，提出了一种能够抑制载荷效应的损伤评估指数，通过疲劳裂纹扩展试验进行了有效性验证。.4. 基于VAM效应的金属板结构局部损伤定位与成像方法.（1）提出了一种基于VAM响应信号线性相减和延时叠加相结合的金属板结构损伤定位和成像方法，并通过试验进行了验证。.（2）利用时间反转的自适应聚焦效应，研究了基于VAM-时间反转的损伤增强成像方法，并开展了试验验证。.项目成果可为VAM方法在板壳类金属结构健康监测中的应用提供理论和方法基础。