一种基于Lamb波时间场法在钢管主梁中的损伤检测方法与流程

一种基于lamb波时间场法在钢管主梁中的损伤检测方法
技术领域
1.本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种基于lamb波时间场法在钢管主梁中的损伤检测方法。


背景技术：

2.近几年，轨道交通列车事故时常发生，威胁着人们的生命安全，甚至给国家、社会带来巨大损失，轨道交通系统中的转向架构架和钢轨都是非常重要的基础设施，转向架承载着整个车辆自身的重量还有乘客或者货物的重量，更是车辆沿轨道正常运行的走行部件，钢轨是铁路轨道的主要组成部件，在引导着车辆前进的同时承受着整个车辆的重量以及运行时巨大的冲击压力，如果转向架和钢轨中产生的裂纹不及时处理，可能会造成严重的行车安全事故，因此，本文针对轨道交通系统中的这两个重要部分，提出了基于lamb波时间场法的的裂纹检测方法。


技术实现要素：

3.基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于lamb波时间场法在钢管主梁中的损伤检测方法。
4.本发明提出的一种基于lamb波时间场法在钢管主梁中的损伤检测方法，包括如下步骤：
5.s1环境搭建：在对实际钢管主梁焊缝结构进行无损检测时，所采用的设备主要包括压电传感器、计算机系统、信号采集设备、耦合剂；
6.s2检测环境参数设置：在检测时，首先确定检测环境下的增益大小，根据经验选择，对比了20db和30db时的接收信号，确定增益为30db时五波峰更加明显，效果较好；
7.对于激励频率，通常是先确定一个频率范围150khz～400khz，以50为增量进行扫频得到7个不同的信号，首先对比150khz和200khz的信号，确定激励频率为200khz；
8.s3钢管主梁焊缝损伤数据处理及分析；
9.信号处理包括在时域和频域上的处理，通过希尔伯特变换将实数域的信号转换为复数域信号；
10.s31焊缝损伤信号的希尔伯特变换方法：使用希尔伯特变换方法对信号预处理，通过希尔伯特变换方法提取反射波包的到达时间；
11.s4基于时间场法进行损伤识别；
12.s41基于时间场法的坐标系：管主梁焊缝结构产生的裂纹一般都是纵向或者纵向倾斜裂纹，因此，在无损检测研究时，首先根据仿真中传感器的布置方法来放置激励传感器；
13.s42反射波时间场法：lamb波在遇到损伤时发生反射现象，根据观测线上传感器获取的信号，得到反射波时距曲线。波在结构中的传播速度已知，就可以获得lamb波在激励之后经过不同时间t
i
到达损伤以及从损伤反射回来的波前位置，那么，在介质均匀的结构中，
经过相同时间间隔的入射波波前是一组等距离的同心圆；
14.s5不同程度损伤的识别；
15.s51时间场法识别不同类型的损伤：对于任意位置的水平界面来说，反射波时距曲线具有比较简单的形式，反射面上的任意一点的切面都是该反射面本身，根据传感器布置的分析，以及lamb在结构表面传播的特性，建立oxy坐标系，ox轴和oy轴都在结构表面，坐标系的原点为激励传感器的位置，为了便于分析，从激励点向损伤作垂线并交于o'，取激励点关于损伤的镜像点，设置为虚激励点o”(x0,y0)，在oxy坐标系的基础上，以oy轴的负方向放置ot轴，起点o
t
在接收传感器位置处，建立toxy坐标系，从而获得反射波时距曲线，在建立toxy坐标系中，损伤是一条直线；
16.s52损伤识别精度分析：将理论得到的损伤产状要素与钢管主梁焊缝中的实际损伤做比较，分析时间场法对于不同类型损伤位置以及大小的精度。
17.优选的，所述步骤s1在检测时通过系统设置恰当的激励频率、采样率、幅值，并产生一个激励信号通过压电传感器作用到结构表面，传感器利用压电效应将该信号转换为有规律的振动，在接收点传感器感受到结构振动，利用逆压电效应转换为电信号，然后通过数据线传回系统，计算机屏幕上可以直接显示信号，并可将数据导出以供后续处理。
18.优选的，所述步骤s1在无损检测过程中，一般的耦合剂对信号幅值和相位的影响都很大，在室外环境下检测时，因为空气流动比较强，耦合剂能够较快稳定，但在稳定一段时间之后会因为凝固或者挥发而失效，受温度影响也比较大，在室内检测时，空气流动缓慢，温度比较恒定，因此耦合剂稳定较慢，但是稳定之前的变化依然很大，在几秒的时间内，同一位置采集的信号就有很大的差别，这就给损伤检测带来很大困难，所述耦合剂采用蜂蜜作为耦合介质。
19.优选的，所述步骤s41由于钢板尺寸较小，下边界反射和损伤边界反射产生的反射波可能会同时到达，波包产生叠加现象非常严重，对由于损伤造成的反射难以识别，因此，设置激励传感器位于焊缝和接收传感器之间。
20.优选的，所述步骤s42对于不同时间的反射波波前则需要根据反射波时距曲线应用惠更斯原理分析得到，假设反射波到达观测线上任一点的最小时间为t
min
，当t
i
＜t
min
，反射波波前位于观测线以上部分，设反射波到达观测线上某一点的时间为t
n
，以观测线上的每一个点为圆心，半径为r
n
＝v
×
(t
n
‑
t
i
)的圆弧组成的包线就是该反射波波前的位置。
21.优选的，所述步骤s42设固定时间间隔为δt，根据反射波波前在t
i
时刻的位置，以该波前位置线上的每一点为圆心，以δt
×
v为半径做圆，这些元的包络线就是t
i
‑
δt时刻的反射波波前位置，以此类推，就可以得到t
i
‑
nδt等时刻波前的位置，设置不同的时间间隔，就可以获得任意时刻的波前位置；
22.入射波和反射波的波前位置是相互交叉的，在同一个时间点，入射波和反射波同时到达某一位置，该位置即为本文所求的反射界面，也就是损伤位置；
23.如果得到反射波在经过损伤后的反射波场范围，就得到时距曲线两端的端点值，该值反映了反射波传播的最远距离，从而根据惠更斯原理识别损伤。
24.优选的，所述步骤s51在建立toxy坐标系中，损伤是一条直线，假设任意直线损伤的表达式为：
25.y
′
＝f(x
′
)
ꢀꢀꢀ
(1)
26.对于损伤中的任意一点(x
′
，y
′
)，从激励点o(0，0)产生的lamb波经过该损伤上某一点s反射后到达接收点p(x，y)，那么波传播的路径为osp，由数学理论推导可知，|os|＝|o
″
s|，因此，波传播路径为直线段o
″
p，那么，lamb波从激励点经过反射到达任一接收点的旅行时间可以用下式来表示：
[0027][0028]
oo
″
的中点在损伤直线上，且坐标为假设损伤与ox轴正向的夹角，也就是上倾角为α，可以写出损伤直线的表达式：
[0029][0030]
其中
[0031]
将cosα、sinα代入公式5
‑
3得到损伤的表达式：
[0032][0033]
根据以上关系，可以将x、y、x0、y0分别用x
′
、y
′
来表示，因此可以求出t、x、y之间的关系，进而得到反射界面或者损伤的位置，这是单纯依靠数学解析获得时距曲线的方法，总是假设介质严格均匀，而在实际情况下结构内部材料总是比理性情况复杂，可以根据数学解析方法获得时距曲线的形状，如前所述，平界面的时距曲线是一系列的双曲线，并且有着相同的渐近线。
[0034]
优选的，所述步骤s51时间场法原则上应用于最普遍的介质结构中，可以分析具有任意层数、速度按任意已知规律变化的各向同性介质和各向异性介质问题，适用于对较复杂结构的实际损伤检测过程，在使用时间场法识别损伤之前，在不同的位置放置接收传感器，并获取接收信号，在实际信号中观察反射波的存在。
[0035]
优选的，所述步骤s5对水平损伤的识别：
[0036]
设激励点与观测线之间的距离为l1，损伤与激励点之间的垂直距离为l2，损伤长度为l，根据波的入射角等于反射角定律，所能接收到信号的传感器的横坐标绝对值最大为:
[0037][0038]
在检测时设置l1＝50mm，水平损伤情况下l2＝50mm。
[0039]
优选的，所述步骤s5对倾斜损伤的识别：
[0040]
损伤倾斜使得oy轴两端布置的传感器数量可能会不同，根据波的反射原理，理论上可放置在左侧的传感器比右侧少；
[0041]
对检测获取的信号处理之后得到倾斜损伤的反射波包，根据每个传感器的t
‑
x数据得到倾斜损伤的反射波时距曲线，然后根据惠更斯原理求得损伤产状要素；
[0042]
当损伤长度为50mm，因为倾斜角度的存在，分布在ox轴正向的反射场范围很大，由于钢板处尺寸较小，只能获得部分反射信号，lamb波从激励点经过损伤反射到达接收传感器的最短时间为28.9μs，是由坐标为(0,10)处的传感器获得的，因此设δt＝5μs，应用时间场法得到损伤的位置，并根据ox轴两侧反射波分别到达的时间，即可得到损伤的大小。
[0043]
本发明中，所述一种基于lamb波时间场法在钢管主梁中的损伤检测方法，通过理论分析不同频率和增益产生信号的有效性，最终确定合适的增益和频率分别为和，然后使用希尔伯特变换方法对信号预处理，获得反射波包的准确到达时间，研究观测线上每个传感器反射波包的到达时间及其位置得到非纵向线时距曲线，根据惠更斯原理分析得到不同损伤的位置以及大小，结果表明，该方法对损伤位置的识别精度较高，取得明显的检测应用效果。
附图说明
[0044]
图1为转向架构架焊缝损伤检测平台图；
[0045]
图2为增益为20db和30db时的信号图；
[0046]
图3为频率为300khz的信图；
[0047]
图4为激励信号图；
[0048]
图5为希尔伯特变换方法得到的包络图；
[0049]
图6为传感器布置示意图；
[0050]
图7为水平界面反射波波前示意图；
[0051]
图8为平面坐标系图；
[0052]
图9为长度为30mm的损伤分析结果；
[0053]
图10为倾斜损伤示意图。
具体实施方式
[0054]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0055]
参照图1
‑
10，一种基于lamb波时间场法在钢管主梁中的损伤检测方法，包括如下步骤：
[0056]
s1环境搭建：在对实际钢管主梁焊缝结构进行无损检测时，所采用的设备主要包括压电传感器、计算机系统、信号采集设备、耦合剂；
[0057]
s2检测环境参数设置：在检测时，首先确定检测环境下的增益大小，根据经验选择，对比了20db和30db时的接收信号，确定增益为30db时五波峰更加明显，效果较好；
[0058]
对于激励频率，通常是先确定一个频率范围150khz～400khz，以50为增量进行扫频得到7个不同的信号，首先对比150khz和200khz的信号，确定激励频率为200khz；
[0059]
s3钢管主梁焊缝损伤数据处理及分析；
[0060]
信号处理包括在时域和频域上的处理，通过希尔伯特变换将实数域的信号转换为复数域信号；
[0061]
s31焊缝损伤信号的希尔伯特变换方法：使用希尔伯特变换方法对信号预处理，通过希尔伯特变换方法提取反射波包的到达时间；
[0062]
s4基于时间场法进行损伤识别；
[0063]
s41基于时间场法的坐标系：管主梁焊缝结构产生的裂纹一般都是纵向或者纵向倾斜裂纹，因此，在无损检测研究时，首先根据仿真中传感器的布置方法来放置激励传感器；
[0064]
s42反射波时间场法：lamb波在遇到损伤时发生反射现象，根据观测线上传感器获取的信号，得到反射波时距曲线。波在结构中的传播速度已知，就可以获得lamb波在激励之后经过不同时间t
i
到达损伤以及从损伤反射回来的波前位置，那么，在介质均匀的结构中，经过相同时间间隔的入射波波前是一组等距离的同心圆；
[0065]
s5不同程度损伤的识别；
[0066]
s51时间场法识别不同类型的损伤：对于任意位置的水平界面来说，反射波时距曲线具有比较简单的形式，反射面上的任意一点的切面都是该反射面本身，根据传感器布置的分析，以及lamb在结构表面传播的特性，建立oxy坐标系，ox轴和oy轴都在结构表面，坐标系的原点为激励传感器的位置，为了便于分析，从激励点向损伤作垂线并交于o'，取激励点关于损伤的镜像点，设置为虚激励点o”(x0,y0)，在oxy坐标系的基础上，以oy轴的负方向放置ot轴，起点o
t
在接收传感器位置处，建立toxy坐标系，从而获得反射波时距曲线，在建立toxy坐标系中，损伤是一条直线；
[0067]
s52损伤识别精度分析：将理论得到的损伤产状要素与钢管主梁焊缝中的实际损伤做比较，分析时间场法对于不同类型损伤位置以及大小的精度，如表1和表2所示。
[0068]
表1损伤位置识别对比
[0069][0070]
表2损伤大小识别对比
[0071][0072]
本发明中，所述步骤s1在检测时通过系统设置恰当的激励频率、采样率、幅值，并产生一个激励信号通过压电传感器作用到结构表面，传感器利用压电效应将该信号转换为有规律的振动，在接收点传感器感受到结构振动，利用逆压电效应转换为电信号，然后通过数据线传回系统，计算机屏幕上可以直接显示信号，并可将数据导出以供后续处理。
[0073]
本发明中，所述步骤s1在无损检测过程中，一般的耦合剂对信号幅值和相位的影响都很大，在室外环境下检测时，因为空气流动比较强，耦合剂能够较快稳定，但在稳定一
段时间之后会因为凝固或者挥发而失效，受温度影响也比较大，在室内检测时，空气流动缓慢，温度比较恒定，因此耦合剂稳定较慢，但是稳定之前的变化依然很大，在几秒的时间内，同一位置采集的信号就有很大的差别，这就给损伤检测带来很大困难，所述耦合剂采用蜂蜜作为耦合介质。
[0074]
本发明中，所述步骤s41由于钢板尺寸较小，下边界反射和损伤边界反射产生的反射波可能会同时到达，波包产生叠加现象非常严重，对由于损伤造成的反射难以识别，因此，设置激励传感器位于焊缝和接收传感器之间。
[0075]
本发明中，所述步骤s42对于不同时间的反射波波前则需要根据反射波时距曲线应用惠更斯原理分析得到，假设反射波到达观测线上任一点的最小时间为t
min
，当t
i
＜t
min
，反射波波前位于观测线以上部分，设反射波到达观测线上某一点的时间为t
n
，以观测线上的每一个点为圆心，半径为r
n
＝v
×
(t
n
‑
t
i
)的圆弧组成的包线就是该反射波波前的位置。
[0076]
本发明中，所述步骤s42设固定时间间隔为δt，根据反射波波前在t
i
时刻的位置，以该波前位置线上的每一点为圆心，以δt
×
v为半径做圆，这些元的包络线就是t
i
‑
δt时刻的反射波波前位置，以此类推，就可以得到t
i
‑
nδt等时刻波前的位置，设置不同的时间间隔，就可以获得任意时刻的波前位置；
[0077]
入射波和反射波的波前位置是相互交叉的，在同一个时间点，入射波和反射波同时到达某一位置，该位置即为本文所求的反射界面，也就是损伤位置；
[0078]
如果得到反射波在经过损伤后的反射波场范围，就得到时距曲线两端的端点值，该值反映了反射波传播的最远距离，从而根据惠更斯原理识别损伤。
[0079]
本发明中，所述步骤s51在建立toxy坐标系中，损伤是一条直线，假设任意直线损伤的表达式为：
[0080]
y
′
＝f(x
′
)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0081]
对于损伤中的任意一点(x
′
，y
′
)，从激励点o(0，0)产生的lamb波经过该损伤上某一点s反射后到达接收点p(x，y)，那么波传播的路径为osp，由数学理论推导可知，|os|＝|o
″
s|，因此，波传播路径为直线段o
″
p，那么，lamb波从激励点经过反射到达任一接收点的旅行时间可以用下式来表示：
[0082][0083]
oo
″
的中点在损伤直线上，且坐标为假设损伤与ox轴正向的夹角，也就是上倾角为α，可以写出损伤直线的表达式：
[0084][0085]
其中
[0086]
将cosα、sinα代入公式5
‑
3得到损伤的表达式：
[0087][0088]
根据以上关系，可以将x、y、x0、y0分别用x
′
、y
′
来表示，因此可以求出t、x、y之间的关系，进而得到反射界面或者损伤的位置，这是单纯依靠数学解析获得时距曲线的方法，总是假设介质严格均匀，而在实际情况下结构内部材料总是比理性情况复杂，可以根据数学解析方法获得时距曲线的形状，如前所述，平界面的时距曲线是一系列的双曲线，并且有着相同的渐近线。
[0089]
本发明中，所述步骤s51时间场法原则上应用于最普遍的介质结构中，可以分析具有任意层数、速度按任意已知规律变化的各向同性介质和各向异性介质问题，适用于对较复杂结构的实际损伤检测过程，在使用时间场法识别损伤之前，在不同的位置放置接收传感器，并获取接收信号，在实际信号中观察反射波的存在。
[0090]
本发明中，所述步骤s5对水平损伤的识别：
[0091]
设激励点与观测线之间的距离为l1，损伤与激励点之间的垂直距离为l2，损伤长度为l，根据波的入射角等于反射角定律，所能接收到信号的传感器的横坐标绝对值最大为:
[0092][0093]
在检测时设置l1＝50mm，水平损伤情况下l2＝50mm。
[0094]
本发明中，所述步骤s5对倾斜损伤的识别：
[0095]
损伤倾斜使得oy轴两端布置的传感器数量可能会不同，根据波的反射原理，理论上可放置在左侧的传感器比右侧少；
[0096]
对检测获取的信号处理之后得到倾斜损伤的反射波包，根据每个传感器的t
‑
x数据得到倾斜损伤的反射波时距曲线，然后根据惠更斯原理求得损伤产状要素；
[0097]
当损伤长度为50mm，因为倾斜角度的存在，分布在ox轴正向的反射场范围很大，由于钢板处尺寸较小，只能获得部分反射信号，lamb波从激励点经过损伤反射到达接收传感器的最短时间为28.9μs，是由坐标为(0,10)处的传感器获得的，因此设δt＝5μs，应用时间场法得到损伤的位置，并根据ox轴两侧反射波分别到达的时间，即可得到损伤的大小，如表3所示。
[0098]
表3倾斜损伤位置以及大小
[0099][0100]
本发明：环境搭建：在对实际钢管主梁焊缝结构进行无损检测时，所采用的设备主要包括压电传感器、计算机系统、信号采集设备、耦合剂；检测环境参数设置：在检测时，首先确定检测环境下的增益大小，根据经验选择，对比了20db和30db时的接收信号，确定增益为30db时五波峰更加明显，效果较好；对于激励频率，通常是先确定一个频率范围150khz～400khz，以50为增量进行扫频得到7个不同的信号，首先对比150khz和200khz的信号，确定
激励频率为200khz；钢管主梁焊缝损伤数据处理及分析；信号处理包括在时域和频域上的处理，通过希尔伯特变换将实数域的信号转换为复数域信号；焊缝损伤信号的希尔伯特变换方法：使用希尔伯特变换方法对信号预处理，通过希尔伯特变换方法提取反射波包的到达时间；基于时间场法进行损伤识别；基于时间场法的坐标系：管主梁焊缝结构产生的裂纹一般都是纵向或者纵向倾斜裂纹，因此，在无损检测研究时，首先根据仿真中传感器的布置方法来放置激励传感器；反射波时间场法：lamb波在遇到损伤时发生反射现象，根据观测线上传感器获取的信号，得到反射波时距曲线。波在结构中的传播速度已知，就可以获得lamb波在激励之后经过不同时间t
i
到达损伤以及从损伤反射回来的波前位置，那么，在介质均匀的结构中，经过相同时间间隔的入射波波前是一组等距离的同心圆；不同程度损伤的识别；时间场法识别不同类型的损伤：对于任意位置的水平界面来说，反射波时距曲线具有比较简单的形式，反射面上的任意一点的切面都是该反射面本身，根据传感器布置的分析，以及lamb在结构表面传播的特性，建立oxy坐标系，ox轴和oy轴都在结构表面，坐标系的原点为激励传感器的位置，为了便于分析，从激励点向损伤作垂线并交于o'，取激励点关于损伤的镜像点，设置为虚激励点o”(x0,y0)，在oxy坐标系的基础上，以oy轴的负方向放置ot轴，起点o
t
在接收传感器位置处，建立toxy坐标系，从而获得反射波时距曲线，在建立toxy坐标系中，损伤是一条直线；损伤识别精度分析：将理论得到的损伤产状要素与钢管主梁焊缝中的实际损伤做比较，分析时间场法对于不同类型损伤位置以及大小的精度。
[0101]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。