鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

汪文有，孔德連，許鳳旌

（美國物理聲學(xué)公司（PAC）北京代表處，北京 100029）

某鋼結(jié)構(gòu)錨梁在疲勞測(cè)試過程中，錨梁一端焊縫出現(xiàn)裂紋。采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)裂紋處進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，得到裂紋損傷的疲勞活動(dòng)規(guī)律，為今后的深入研究提供重要依據(jù)。

該鋼結(jié)構(gòu)錨梁預(yù)定疲勞測(cè)試次數(shù)為200萬次，采用壓－壓疲勞加載，最大加載載荷為1 714kN，最小加載載荷為124.6kN，加載頻率為1.1次/s。隨著疲勞加載次數(shù)的增加，錨梁橫梁段與底部支撐板焊縫連接處出現(xiàn)宏觀裂紋。當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到77萬次的時(shí)候，采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了疲勞監(jiān)測(cè)，采集裂紋活動(dòng)過程的聲發(fā)射信號(hào)。經(jīng)過10天的監(jiān)測(cè)，一直跟蹤至疲勞測(cè)試結(jié)束，獲得了有價(jià)值的數(shù)據(jù)。通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，得到裂紋損傷活動(dòng)過程的信號(hào)特征。數(shù)據(jù)分析表明，裂紋在張開與閉合階段均產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，且具有不同的參數(shù)特征，只有經(jīng)過一定的疲勞周次，才會(huì)發(fā)生真正的裂紋擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展具有隨機(jī)性。圖1為疲勞測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)圖片，圖中左端黑點(diǎn)處為已發(fā)現(xiàn)的焊縫裂紋。

圖1 疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片

1 疲勞損傷聲發(fā)射監(jiān)測(cè)原理及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)原理

疲勞損傷是指材料或結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下由于機(jī)械、物理、化學(xué)等因素導(dǎo)致其力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劣化的結(jié)果。工程結(jié)構(gòu)中鋼梁焊縫連接處由于交變載荷作用容易產(chǎn)生疲勞損傷，其發(fā)生、發(fā)展歷程由位錯(cuò)→滑移→微觀裂紋→裂紋擴(kuò)展→斷裂等階段組成。根據(jù)損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)原理可知，裂紋萌生、穩(wěn)定、擴(kuò)展直至最后斷裂的過程是一個(gè)能量累積和快速釋放的過程。能量的釋放包括表面能、熱能、彈性能等形式，其中的彈性能以應(yīng)力波的形式釋放出來，產(chǎn)生聲發(fā)射。聲發(fā)射信號(hào)包含了信號(hào)源處的有效信息，通過監(jiān)測(cè)分析裂紋損傷在疲勞載荷作用下的聲發(fā)射信號(hào)，有助于了解裂紋及結(jié)構(gòu)的變化情況，進(jìn)而對(duì)材料或結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行損傷評(píng)價(jià)。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用美國物理聲學(xué)公司的SAMOS PCI－8聲發(fā)射系統(tǒng)，150kHz諧振傳感器，前置放大器增益為40dB，采樣頻率為1MHz。

2 疲勞裂紋損傷位置及開裂原因

2.1 裂紋位置

鋼梁左端部與底板支撐搭接處的角焊縫由于疲勞載荷、焊接缺陷、應(yīng)力集中等原因產(chǎn)生兩條裂紋。一條位于鋼梁底板與底部支撐上表面板焊縫處，另一條位于橫梁左端部加強(qiáng)板底部焊縫處，裂紋源位于角焊縫頭部。

2.2 開裂原因

由于疲勞試驗(yàn)機(jī)壓力軸與鋼結(jié)構(gòu)錨梁側(cè)向中面不完全重合，橫梁兩端與底部支撐板的連接焊縫既承受復(fù)合拉壓應(yīng)力，又承受復(fù)合扭剪應(yīng)力。因此鋼結(jié)構(gòu)橫梁兩端焊接處在每一次循環(huán)都要承受拉－壓－剪三種狀態(tài)的復(fù)合應(yīng)力作用。在焊縫區(qū)，焊條金屬與本體金屬的熔融區(qū)往往產(chǎn)生金屬原子的位錯(cuò)，在外應(yīng)力作用下，位錯(cuò)原子數(shù)目不斷增加，大量的位錯(cuò)部位相互通連，形成了原子尺度的滑移帶，當(dāng)滑移帶在周期載荷作用下繼續(xù)發(fā)展，便形成微裂紋。微裂紋的端部往往造成應(yīng)力集中，隨著疲勞次數(shù)的增加，裂紋不斷擴(kuò)展，形成肉眼可見的宏觀裂紋。

圖1中傳力三角梁為不對(duì)稱三角形，主壓力點(diǎn)分別距離橫梁左右兩端支撐處260mm和420mm，從而使鋼架橫梁左端焊縫處承受較大的載荷。開裂處為角焊縫焊接，由于施焊部位空間狹窄，影響焊接質(zhì)量，焊接端部易產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起較大殘余應(yīng)力，造成該端出現(xiàn)宏觀裂紋。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 噪聲分析

疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)噪聲主要來自于油缸沖擊、金屬塑性變形、金屬板表面之間的擠壓摩擦、加載金屬壓頭對(duì)三角梁頂端產(chǎn)生的周期性沖擊。圖2為噪聲檢測(cè)過程中傳感器布置圖，將傳感器布置在鋼梁各段，距離左端焊縫處較遠(yuǎn)。由于鋼板結(jié)構(gòu)搭接、角接情況復(fù)雜，聲波衰減加劇，因此，傳感器基本接收不到裂紋處的聲發(fā)射信號(hào)。圖3為不同傳感器接收到的噪聲信號(hào)的幅值－時(shí)間圖，通道1～4分別對(duì)應(yīng)圖2中的安裝位置。由圖3中噪聲信號(hào)分析可知，1，2通道貼于左側(cè)側(cè)壁，最高幅值達(dá)到70dB左右，具有明顯的周期性，其信號(hào)出現(xiàn)的頻率等于加載頻率的兩倍，表明每次疲勞循環(huán)的加載段與卸載段都會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。3，4號(hào)傳感器分別貼于三角梁與橫梁上，其信號(hào)幅值高達(dá)90dB左右，且通道3接收到的信號(hào)幅值高于通道4，但3，4通道低幅值信號(hào)的周期性已經(jīng)不明顯。這說明噪聲信號(hào)主要來自于傳力三角梁與底部橫梁相接平面的摩擦以及鋼板的塑性變形和液壓缸的沖擊噪聲，噪聲信號(hào)首先傳到3通道，依次傳給4，1，2通道。3，4通道接收到高幅值信號(hào)，同時(shí)接收到大量的反射波、折射波，因此使得周期性的加載信號(hào)趨于模糊，不再具有周期性。隨著傳播路徑的增長以及鋼結(jié)構(gòu)連接形式的復(fù)雜性，信號(hào)的衰減使得1，2通道只能接收到低幅值、低頻率信號(hào)，一些反射波、折射波衰減到門檻以下，因此1，2通道不受回波干擾，其信號(hào)表現(xiàn)出明顯的周期性。

圖2 噪聲檢測(cè)傳感器布置圖

圖3 左端裂紋信號(hào)幅值－時(shí)間圖

由圖2可知，通道3位于傳力三角梁與橫梁凸臺(tái)接觸面附近，因此通道3的信號(hào)波形頻譜特征可以有效表征加載端傳來的噪聲信號(hào)，其幅值－時(shí)間特征參數(shù)圖見圖4。由于加載和卸載過程平穩(wěn)，其疲勞加載曲線如圖5，每個(gè)加載周期中3號(hào)傳感器都會(huì)接收到兩次高幅值信號(hào)，且兩次信號(hào)的聲發(fā)射特征參數(shù)的差別具有規(guī)律性。圖5中T0至T為一次加載周期（此試驗(yàn)加載頻率1.1Hz）。圖中T1和T2分別為兩次高幅值信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間，其間隔時(shí)間約占每個(gè)周期的40%，兩次信號(hào)的上升時(shí)間分別位于300～600μs和11 000～16 000μs之間。進(jìn)一步分析可得：加載段由于載荷持續(xù)加大，應(yīng)變能迅速聚集，達(dá)到最大作用應(yīng)力（T1）前材料屈服或結(jié)構(gòu)達(dá)到塑性極限而釋放能量并產(chǎn)生聲發(fā)射；卸載段由于載荷作用的減小，金屬構(gòu)件具有恢復(fù)原狀的彈性能將得到釋放，由于釋放過程沒有外加應(yīng)力的強(qiáng)制作用，使得卸載過程均勻平穩(wěn)，高幅值信號(hào)的上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間較長。

圖4 通道3幅值－時(shí)間特征參數(shù)圖

圖5 通道3壓－壓疲勞加載曲線示意圖

分析兩次信號(hào)的頻譜圖發(fā)現(xiàn)，加載段的高頻信號(hào)比率較大，這表明加載段由于外載的強(qiáng)制作用使得信號(hào)的應(yīng)變速率較大；卸載段能量的釋放較為自由，應(yīng)變速率較小，因此信號(hào)的頻率較低。由以上分析可得：圖4中1～3分別表示為加載段信號(hào)，1’～3’表示卸載段信號(hào)。圖6和7分別為不同載荷歷程的信號(hào)波形及FFT譜圖。

圖6 卸載處信號(hào)的波形與FFT圖

圖7 加載處信號(hào)的波形與FFT圖

3.2 鋼梁兩端信號(hào)對(duì)比分析

將傳感器布置于鋼架橫梁兩端進(jìn)行信號(hào)采集，即在圖1所示鋼結(jié)構(gòu)橫梁兩端焊縫區(qū)對(duì)應(yīng)放置傳感器，其傳感器位于圖1中的十字圓形區(qū)域。圖8為右端（無裂紋端）信號(hào)的波形與FFT變換圖，圖9為左端（裂紋端）突發(fā)型信號(hào)波形與FFT譜圖。兩端低幅值信號(hào)出現(xiàn)的頻率接近于加載頻率的2倍，即在一次循環(huán)的加載與卸載過程均產(chǎn)生低幅值噪聲。

圖8 無裂紋端噪聲信號(hào)的波形與FFT圖

鋼梁右側(cè)低應(yīng)力區(qū)無裂紋端的信號(hào)時(shí)域波形呈連續(xù)型，信號(hào)經(jīng)過快速傅里葉變換處理后具有較寬的頻帶范圍（50～350kHz），低頻成分 （80～160kHz）占主要成分，且分布較為均勻。左端（裂紋端）信號(hào)每個(gè)加載周期都會(huì)出現(xiàn)，其信號(hào)波形為典型的突發(fā)型，且出現(xiàn)在加壓到最大載荷前和卸載到最小載荷前，其頻譜圖與功率譜圖頻率成分集中，位于150kHz左右，因此以突發(fā)型信號(hào)作為裂紋活動(dòng)的表征信號(hào)，總結(jié)其參數(shù)特征，作為與噪聲信號(hào)參數(shù)的對(duì)比，見表1。

圖9 裂紋端突發(fā)型信號(hào)波形與FFT圖

表1 不同類型信號(hào)的特征參數(shù)

3.3 裂紋活動(dòng)端信號(hào)分析

由3.2分析可知，裂紋端信號(hào)具有突發(fā)型特征，因此進(jìn)一步在已知裂紋處布置多個(gè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，傳感器布置如圖10所示。利用表1的突發(fā)型信號(hào)參數(shù)特征進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，得到了以突發(fā)型信號(hào)為主的有效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析表明，信號(hào)的接收以通道1為主，具有周期性的規(guī)律，其出現(xiàn)頻率是加載頻率的2倍，幅值分布在60dB左右。即在一次循環(huán)過程中，裂紋具有兩次活動(dòng)信號(hào)，且其兩次信號(hào)的間隔時(shí)間為整個(gè)加載周期的40%，因此判斷出裂紋在張開（卸載）與閉合（加載）過程中均產(chǎn)生了突發(fā)型信號(hào)。根據(jù)聲波傳播機(jī)理，距離聲源越近，接收到的信號(hào)時(shí)間越早，幅值較高。通過對(duì)5個(gè)通道接收到突發(fā)型信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，表明一次循環(huán)過程中突發(fā)型信號(hào)被各通道采集到的順序依次為1，4，5，2，因此聲源位置在通道1附近。由于信號(hào)傳播衰減，使得通道5，2只能接收到一部分突發(fā)型信號(hào)，聲波在經(jīng)過焊縫處引起嚴(yán)重的衰減，3通道接收不到。根據(jù)疲勞加載頻率與信號(hào)接收時(shí)間的先后關(guān)系，確定此突發(fā)型信號(hào)來自于通道1附近的裂紋，且裂紋處于活性狀態(tài)，周期性地產(chǎn)生突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)。

圖10 左端焊縫裂紋處傳感器布置

分析表明，焊縫裂紋在疲勞載荷作用下，其裂紋接合面不斷相互擠壓、摩擦產(chǎn)生周期性低幅值突發(fā)型信號(hào)。根據(jù)斷裂力學(xué)原理，對(duì)于疲勞應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展，當(dāng)交變載荷施加在金屬結(jié)構(gòu)體上時(shí)，在裂紋尖端形成應(yīng)力集中，當(dāng)尖端應(yīng)力達(dá)到疲勞應(yīng)力強(qiáng)度極限時(shí)，尖端在r為半徑的圓周范圍內(nèi)屈服，釋放出AE信號(hào)，屈服后的裂紋尖端向前延伸并硬化，應(yīng)力在新的尖端范圍（r′0）內(nèi)集中。由于交變載荷幅值不變，尖端應(yīng)力上升到一定值σa時(shí)，不再上升。σa雖然不變，但是由于疲勞使金屬強(qiáng)度極限下降，當(dāng)金屬強(qiáng)度σs降到σa時(shí)，尖端前部在r0′為半徑的圓周區(qū)域內(nèi)屈服開裂，裂紋擴(kuò)展，r0′區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力被松弛掉，松弛掉的應(yīng)力向前傳遞給r0′區(qū)域前端的r1的微小范圍內(nèi)的非屈服區(qū)域，該區(qū)域進(jìn)而形成應(yīng)力集中。上述過程的持續(xù)進(jìn)行會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)滑移，位錯(cuò)雪崩，釋放AE信號(hào)，裂紋不斷擴(kuò)展。當(dāng)裂紋尖端的應(yīng)力不斷集中，最后失穩(wěn)擴(kuò)展并釋放能量，產(chǎn)生高幅值突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)。根據(jù)同一次疲勞循環(huán)中通道1，5接收同一信號(hào)的時(shí)間差，由已測(cè)聲速與時(shí)間差的乘積確定信號(hào)源位于裂紋附近。

3.4 裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)

根據(jù)以上分析，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，聲發(fā)射信號(hào)主要來源于機(jī)械運(yùn)動(dòng)、金屬的塑性變形、裂紋開裂面之間的擠壓和摩擦、微裂紋的疲勞擴(kuò)展。因此，如何區(qū)分開裂紋活動(dòng)信號(hào)與噪聲信號(hào)顯得尤為重要。由于突發(fā)型信號(hào)能夠表征裂紋的活動(dòng)，根據(jù)突發(fā)型信號(hào)與連續(xù)型信號(hào)在聲發(fā)射特征參數(shù)上存在的差別，將突發(fā)型信號(hào)的特征參數(shù)作為濾波條件，可將大部分噪聲濾除掉，得到以表征裂紋損傷變化的突發(fā)型信號(hào)為主的特征群。經(jīng)過長時(shí)間監(jiān)測(cè)，獲得裂紋開閉狀態(tài)信號(hào)特征以及真實(shí)裂紋擴(kuò)展信號(hào)特征，既抑制了噪聲干擾，又實(shí)現(xiàn)了裂紋損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

圖11為數(shù)據(jù)濾波后的特征信號(hào)群圖，大部分高幅值、高能量、長持續(xù)時(shí)間和上升時(shí)間的噪聲信號(hào)被濾除掉，得到了代表裂紋活動(dòng)的突發(fā)型信號(hào)數(shù)據(jù)（圖中1～7代表出現(xiàn)的異常信號(hào)群）。圖11中標(biāo)示的特殊信號(hào)群出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)第5天，監(jiān)測(cè)圖中隨機(jī)出現(xiàn)多個(gè)突發(fā)信號(hào)群。各信號(hào)群中的點(diǎn)信號(hào)（55～70 dB）出現(xiàn)頻率等于加載頻率。上述信號(hào)群的歷程包含了微裂紋萌生、穩(wěn)定、擴(kuò)展、穩(wěn)定等狀態(tài)過程。裂紋尖端在疲勞過程不斷積累能量，應(yīng)力集中程度增大，當(dāng)達(dá)到裂紋疲勞極限應(yīng)力時(shí)，裂紋尖端的薄弱區(qū)發(fā)生局部應(yīng)力屈服，萌生出新的開裂面，新的開裂面再繼續(xù)上述過程，使得裂紋尖端不斷向前發(fā)展。突發(fā)型信號(hào)是由于金屬微元在疲勞過程中的位錯(cuò)、滑移、擴(kuò)展開裂而產(chǎn)生，新的開裂面在相互咬合過程中產(chǎn)生高幅值突發(fā)型信號(hào)，隨著疲勞次數(shù)的增加，開裂面不斷趨于均勻、平整，聲發(fā)射信號(hào)幅值降低，最后趨于平穩(wěn)。每次信號(hào)群的出現(xiàn)都要經(jīng)前期能量的不斷累積過程，當(dāng)能量積累到損傷極限，便發(fā)生尖端擴(kuò)展和能量釋放過程，能量的釋放使得尖端前部應(yīng)力松弛。因此，每個(gè)信號(hào)群的出現(xiàn)（即尖端擴(kuò)展和能量釋放）后，尖端應(yīng)力的松弛使得在一段時(shí)間內(nèi)沒有周期性的突發(fā)型信號(hào)，從而表明信號(hào)群代表著裂紋尖端的擴(kuò)展?？梢?，利用聲發(fā)射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋擴(kuò)展的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

（1）聲發(fā)射技術(shù)可以在復(fù)雜的環(huán)境噪聲中得到表征裂紋活動(dòng)的信號(hào)特征。根據(jù)裂紋信號(hào)與噪聲信號(hào)（塑性變形、摩擦等）之間的上升時(shí)間與持續(xù)時(shí)間的不同，可以有效區(qū)分突發(fā)型裂紋活動(dòng)信號(hào)與連續(xù)型摩擦噪聲，有效提取裂紋活動(dòng)信號(hào)。

圖11 左端裂紋活動(dòng)信號(hào)圖

（2）突發(fā)型信號(hào)的參數(shù)特征可以作為焊縫是否完整的評(píng)價(jià)依據(jù)。根據(jù)突發(fā)型信號(hào)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特征信號(hào)的提取，使對(duì)損傷萌生進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)具有了可能性。

（3）采用聲發(fā)射技術(shù)可以在線監(jiān)測(cè)裂紋損傷的變化發(fā)展過程，對(duì)損傷位置進(jìn)行定位，對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及使用壽命的計(jì)算將起到非常重要的指導(dǎo)意義。

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