實(shí)驗(yàn)名稱：基于LDR振型的損傷檢測方法實(shí)驗(yàn)

研究方向：隨著科技的不斷進(jìn)步，材料中的腐蝕、分層等缺陷是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降、破壞失效的主要原因。為保證結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性，對其進(jìn)行無損檢測是重要的。首先,深入了解了LDR方法的檢測原理,從平底孔模型入手分析了LDR效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，搭建實(shí)驗(yàn)平臺，使用基于LDR振型識別的方法對不同類型及深度的缺陷進(jìn)行檢測，探究了由缺陷引起的結(jié)構(gòu)局部剛度下降以及LDR效應(yīng)。接著，研究了LDR效應(yīng)影響下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特征和頻譜特征，提出了近LDR頻帶的損傷信息融合方法，解決了依據(jù)LDR振型進(jìn)行損傷識別的方法在應(yīng)用過程中抗噪能力較差以及缺陷面積識別不準(zhǔn)確的問題:分析了由LDR效應(yīng)引起的缺陷區(qū)域測點(diǎn)頻譜異?，F(xiàn)象，通過研究不同頻帶下結(jié)構(gòu)表面的能量分布特征，給出了基于全頻帶能量分布的損傷成像優(yōu)化方法。最后，制作了帶有脫粘缺陷的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試件并基于LDR方法對缺陷進(jìn)行檢測。研究了LDR方法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)中損傷的檢測能力，評估了全頻帶能量分布優(yōu)化方法的檢測效果。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪脪呙枋郊す鉁y振儀搭建了用于在高頻下進(jìn)行非接觸檢測的檢測系統(tǒng)，使用基于LDR振型識別的檢測方法分別對鋁板中的平底孔缺陷以及復(fù)材板中的分層缺陷進(jìn)行檢測:探究了不同缺陷引起的結(jié)構(gòu)局部剛度的下降以及局部共振振型特征，對比分析了該方法對不同尺寸和深度缺陷的檢測效果。

測試設(shè)備：掃描式激光測振儀系統(tǒng)、信號發(fā)生器、電壓放大器、壓電陶瓷換能器以及隔振臺等。

實(shí)驗(yàn)過程：

實(shí)驗(yàn)中通過測量結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)響應(yīng)，識別出缺陷局部振型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)中損傷的定位和成像，實(shí)驗(yàn)原理如圖3.1所示。用到的儀器設(shè)備主要有:掃描式激光測振儀系統(tǒng)、功率放大器、壓電陶瓷換能器以及隔振臺。按照試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法的原理，可以將測試系統(tǒng)分為激勵(lì)與采集兩個(gè)部分，其中激部分由信號發(fā)生器產(chǎn)生所需頻率范圍的寬頻激勵(lì)信號，經(jīng)過高頻功率放大器后由壓電換能器為待測結(jié)構(gòu)提供定點(diǎn)激勵(lì):采集部分利用掃描式激光測振儀進(jìn)行二維掃描，采集包含缺陷的檢測區(qū)域上各測點(diǎn)的面外振動(dòng)速度響應(yīng)信號并進(jìn)行存儲。

實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)激勵(lì)方式選擇單輸入單輸出方法同時(shí)高速采集輸入與輸出兩個(gè)點(diǎn)的信號。使用壓電換能器粘貼于試件固定位置處，產(chǎn)生持續(xù)的周期掃頻信號激勵(lì)試件振動(dòng)，同時(shí)使用激光測振儀采集表面某一測點(diǎn)的面外振動(dòng)速度響應(yīng)信號,為了減弱環(huán)境因素引起的噪聲對測試結(jié)果的干擾，對每一個(gè)測點(diǎn)采集多次信號取線性平均。完成單點(diǎn)的采集后，按布點(diǎn)順序掃描頭移動(dòng)到下一測點(diǎn)完成振動(dòng)響應(yīng)信號的采集。最終獲取結(jié)構(gòu)表面整個(gè)測試區(qū)域的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。利用快速傅里葉變換(FastFourierTransformFFT)將原始的時(shí)域信號變換到頻域，得到各測點(diǎn)的頰率一速度幅值信號。如圖3.3所示，將每個(gè)測點(diǎn)的一維振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)按照空間坐標(biāo)放置在三維數(shù)組的相應(yīng)位置中，既得到整個(gè)測試頻帶內(nèi)不同率下結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：基于LDR振型的檢測方法主要通過對比整個(gè)檢測頻帶內(nèi)不同頻率下結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)響應(yīng)，依據(jù)LDR振型的特點(diǎn)識別出局部共振模態(tài)，進(jìn)而對損傷進(jìn)行定位和成像。由于局部共振效應(yīng)，當(dāng)激勵(lì)頻率與缺陷區(qū)域?qū)?yīng)的局部共振頻率吻合時(shí)，在缺陷位置的振動(dòng)幅值會大幅增加，顯著區(qū)別于結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)模態(tài)。依據(jù)局部振動(dòng)幅值異常這一特征，首先通過對比不同頰率下的振型，得到可能的與缺陷相對應(yīng)的LDR模態(tài)，然后再結(jié)合該異常區(qū)域測點(diǎn)的頻響特征，通過對比各峰值對應(yīng)的振型來確定出LDR振型。實(shí)驗(yàn)中，使用LDR振型識別方法分別對鋁板中四處不同深度與尺寸的平底孔缺陷進(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:

表3.1給出了實(shí)驗(yàn)中所用鋁板的彈性參數(shù)以及位于中間的平底孔缺陷尺寸，使用基于平底孔模型導(dǎo)出的一階局部共振頻率理論預(yù)測公式(2.15)，可以求出其一階LDR頻率約為25.14KHz,遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)模態(tài)對應(yīng)的頻率。圖3.7為采集到的缺陷區(qū)域測點(diǎn)在頻域上的響應(yīng)信號，首先在26.57kHz的頻率下識別出最低階的LDR共振峰，與理論預(yù)測結(jié)果較接近。同時(shí)在整個(gè)試驗(yàn)頻帶內(nèi)還出現(xiàn)多個(gè)共振峰，結(jié)合各峰值對應(yīng)的振型，即可識別出與該處缺陷對應(yīng)的LDR模態(tài)。部分LDR頻率下的振型及損傷成像結(jié)果如圖3.8所示，圖中左側(cè)為缺陷區(qū)域的局部共振振型，右側(cè)為依據(jù)該振型進(jìn)行投影得到的二維損傷成像結(jié)果。

對于直徑為20mm、深度為2mm的平底孔缺陷，由于缺陷尺寸相對較大，局部剛度下降明顯，在檢測頓帶范圍內(nèi)可以清晰地識別出多個(gè)LDR相關(guān)振型。其中，引起局部振動(dòng)幅值顯著增加的振型主要可以分為兩類:其中一類為LDR振型，即由LDR效應(yīng)引起的包括一階LDR振型以及髙階LDR振型如圖3.8(a,c)所示,通常這些振型均出現(xiàn)在較高的頓率下。另外一類為特殊的結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)模態(tài)。隨著模態(tài)階數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)整體振型呈現(xiàn)出節(jié)點(diǎn)和節(jié)線規(guī)律性的排列，當(dāng)缺陷的位置位于振型的波峰處時(shí)，由于材料局部剛度下降，會引起該階振型下缺陷位置振動(dòng)幅值的放大，如圖3.8(b)所示。檢測結(jié)果表明，通過識別LDR振型對損傷進(jìn)行成像可以清晰地檢測出中間位置的平底孔缺陷。

2.直徑10mm的平底孔缺陷檢測結(jié)果

試件表面共包含有三處直徑均為10mm但深度不同的平底孔缺陷，圖3.9為深度2mm的平底孔缺陷對應(yīng)的損傷區(qū)域測點(diǎn)在頻域上的速度響應(yīng)信號。結(jié)合曲線中各峰值對應(yīng)的振型，可以識別出與該缺陷相對應(yīng)的局部共振模態(tài)。部分LDR頻率下的損傷檢測結(jié)果如圖310所示。

結(jié)合頻響曲線與不同頻率下結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)響應(yīng)特征可以看出，LDR頻率基本與頻響曲線中異常峰值對應(yīng)頻率吻合。首先在62.28kHz的頻率下識別出最低階的LDR頻率，在該頻率的激勵(lì)下缺陷區(qū)域測點(diǎn)的振動(dòng)幅值遠(yuǎn)大于健康區(qū)域，如圖3.10(a)所示，但由該振型得到的損傷成像結(jié)果存在噪聲的干擾,信噪比較低。另外,在更高的激勵(lì)頻率90.45kHz下，出現(xiàn)與中間區(qū)域直徑為20mm缺陷相互耦合的振型，在該頻率的激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)中的兩處缺陷均表現(xiàn)出局部共振現(xiàn)象。

使用同樣的方式可以檢測出深度為1.8mm的平底孔缺陷，此處不再贅述。值得注意的是，隨著缺陷尺寸及深度的減小,損傷對材料局部剛度變化的影響減弱,LDR效應(yīng)不明顯。對于直徑10mm、深度為1mm的平底孔缺陷，在整個(gè)100kHz的檢測頻帶內(nèi)LDR相關(guān)振型數(shù)目較少，因此在使用基于LDR振型的檢測方法時(shí)目標(biāo)振型數(shù)量少，識別過程比較費(fèi)時(shí)且容易出現(xiàn)誤差。

對比不同尺寸平底孔的檢測結(jié)果可以得出，對于鋁板表面剛度削減較大(直徑20mmm，深度2mm)的平底孔缺陷，使用基于LDR振型識別的損傷檢測方法有較好的檢測效果，可以準(zhǔn)確地識別出與缺陷對應(yīng)的多階LDR振型，并實(shí)現(xiàn)損傷的定位與成像。對于深度較淺的缺陷(深度1mm)，由于材料局部剛度的下降幅度較小，相應(yīng)的局部共振頻率較高，因此在有限的檢測帶寬內(nèi)只有少數(shù)的LDR振型，導(dǎo)致檢測效率與精度下降。

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審核編輯 黃宇