采用声发射技术检测钢桥疲劳裂纹_鞠晓臣.pdf

哈尔滨工程大学学报 Journal of Harbin Engineering University ISSN 1006-7043,CN 23-1390/U 哈尔滨工程大学学报网络首发论文哈尔滨工程大学学报网络首发论文 题目：采用声发射技术检测钢桥疲劳裂纹 作者：鞠晓臣，梁永奇，赵欣欣，杨江天 收稿日期：2022-02-25 网络首发日期：2022-12-30 引用格式：鞠晓臣，梁永奇，赵欣欣，杨江天 采用声发射技术检测钢桥疲劳裂纹J/OL 哈尔滨工程大学学报.https:/ 网络首发网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认出版确认：纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。采用声发射技术检测钢桥疲劳裂纹采用声发射技术检测钢桥疲劳裂纹 鞠晓臣1，梁永奇2，赵欣欣1，杨江天2（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所 北京 100081；2.北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044)摘 要：为能对钢桥梁疲劳裂纹进行准确的状态识别，判断裂纹目前处于的状态，本文依据小波理论，采用声发射技术提出一种可进行疲劳裂纹全寿命跟踪检测的方法。首先设计了 Q690q 钢典型构造细节疲劳试验，使用声发射系统采集疲劳全过程的声发射信号，掌握疲劳过程中信号变化规律。基于小波变换对疲劳裂纹声发射信号进行降噪处理，并通过波形分析法研究 Q690q 钢疲劳裂纹不同损伤阶段声发射信号的时域、频域、时频域特征，提取不同特征参数用于不同损伤阶段疲劳裂纹的状态识别。研究表明：本文所提方法成功对不同损伤阶段的疲劳裂纹进行检测，建立一种基于声发射的钢桥疲劳裂纹检监评估方法，可在裂纹发展早期予以识别，指导钢桥维修养护。关键词：Q690q 钢；疲劳裂纹；声发射；小波降噪；波形分析；状态识别；特征提取；桥梁检测 Doi：10.11990/jheu.202202028 中图分类号：U445.7+1 文献识别码：A Fatigue crack detection of steel bridges by acoustic emission technique JU Xiaochen1,LIANG Yongqi2,ZHAO Xinxin1,YANG Jiangtian2 (1.China Academy of Railway Sciences Corporation Limited Railway Engineering Research Institute,Beijing,100081；2.School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）Abstract:In order to accurately identify the state of fatigue cracks in steel bridges and judge the current state of the cracks,this paper proposes a method for fatigue crack life tracking detection based on wavelet theory and acoustic emission technology.Firstly,the fatigue test of typical structural details of Q690q steel is designed.The acoustic emission system is used to collect acoustic emission signals in the whole process of fatigue,and the signal change rule in the fatigue process is mastered.The acoustic emission signal of fatigue crack is denoised based on wavelet transform,and the time-domain,frequency-domain and time-frequency domain characteristics of acoustic emission signal of Q690q steel fatigue crack at different damage stages are studied by waveform analysis method,and different characteristic parameters are extracted for the state identification of fatigue crack at different damage stages.The research shows that the method proposed in this paper successfully detects fatigue cracks in different damage stages,and establishes a steel bridge fatigue crack inspection,monitoring and evaluation method based on acoustic emission,which can be identified at the early stage of crack development and guide the maintenance of steel bridges.Keywords:Q690q steel;fatigue crack;acoustic emission;wavelet noise reduction；waveform analysis method；state recognition;feature extraction;bridge inspection 随着我国交通量的逐年增长以及桥梁服役年限的增加，钢桥梁的病害逐步呈现，其中以疲劳裂纹最为严重。为了避免疲劳裂纹对桥梁安全产生不 收稿日期收稿日期：2022-02-25.基金项目基金项目：高铁联合基金（U1934209）；院基金（2020YJ088）.作者简介作者简介：鞠晓臣,男,副研究员；利影响，须对在役的大跨径桥梁进行疲劳裂纹检测，以便及时发现并进行维护保养。贺栓海等1对桥梁的检测现状及前景进行综述，得出了智能化无损检赵欣欣，男，研究员.通信作者：通信作者：赵欣欣，E-mail：.网络首发时间：2022-12-30 14:16:26网络首发地址：https:/ 测是桥梁检测的发展方向。在目前钢桥梁现有的疲劳裂纹检测方法中，目视检测、磁粉探伤、涡流检测、只能检测表面裂纹，射线照相对微小缺陷灵敏度低，且射线对人体有害，超声检测非常依赖检验员经验且信号强度不强2。超声波相控技术、超声波双探头检测、智能机器人等3-13检测方法能够检测出裂纹是否存在及裂纹的尺寸、分布等信息，但更重要的因素是裂纹是否会扩展，会不会进一步演化进而影响构件的安全使用。声发射（acoustic emission，AE）是指材料或构件的内部缺陷在外界条件（应力、温度等）作用下，以弹性波形式释放应变能的现象14。缺陷在稳定的状态下是探测不到它的声发射信号的，所以可利用声发射技术来判定“活”裂纹，可以说，声发射检测对于疲劳裂纹的分类是一种革新，传统的无损检测方法是以裂纹的尺寸进行划分，而声发射检测则是以其危险程度划分，对于工程实际有着更为重要的意义。传统的声发射技术常用参数分析法对声发射信号进行描述、分析，从声发射技术发展的早期一直到现在都被广为应用。但它只是对声发射信号的简单处理，声发射信号蕴含的很多信息在参数分析法中不能够得到揭示。随着社会发展，各种软硬件技术的提高，波形分析法分析声发射信号成为了研究热点，它能够更为全面详尽的对信号进行处理描述。基于优化峰度、比较熵值、波形分析、信息熵分析、波形聚类等方法取得了不错的进展。声发射检测灵敏度高，在裂纹的萌生阶段就能检测出，正是因为其敏感，使得声发射信号容易受到噪声干扰15-24。本文在实验获得典型疲劳裂纹声发射信号之后，首先其进行了降噪处理，在降噪的基础上运用波形分析法对不同损伤阶段的疲劳裂纹声发射信号进行了时域、频域、时频域的相关研究，从幅值、峭度因子、脉冲因子、频谱、时频图能量角度对信号进行了特征提取，解决了疲劳裂纹萌生、扩展、断裂的识别问题。1 检测原理及小波理论 1.1 检测原理 声发射源产生的弹性振动以波的形式传播到构件（或材料）的表面，AE 传感器探测到应力波到达材料表面引起的表面位移，并将表面位移的机械振动转化为电信号，然后被放大、采集、处理。由于材料（构件）内部存在初始缺陷及不均匀性，当受到外界作用时，就会出现应力集中且局部分布不均的现象，随着应变能的积累，该区域会首先出现材料的塑性变形，累到一定程度，会产生微孔洞的形核、生长，会有不连续间歇性的微裂纹出现，即裂纹的萌生。能量的释放会使得原应力集中区域的应力就会被卸掉，随着应力集中的减弱，新的微裂纹就会和之前的微裂纹连接、汇合，形成比之前更大的裂纹，汇合之后的裂纹会更为快速的发展，此时会伴随大量的声发射信号产生，即裂纹的扩展阶段。当裂纹继续扩展到濒临临界长度时，材料将会出现剧烈的不稳定增长和快速的失稳断裂，即裂纹的断裂阶段。材料（试件）在裂纹萌生、扩展、断裂不同损伤阶段均伴随着声发射现象，其声发射信号隐藏着裂纹损伤演化的大量信息。不同的源机制产生不同的声发射信号，因此，可以根据不同的信号特征反推源机制。正是基于上述机理，用声发射检测技术来获得材料疲劳裂纹不同损伤阶段的动态信息是可行的。1.2 小波变换 由于疲劳裂纹声发射信号的频率信号信息较为宽泛，表现为非平稳性、不确定性和随机性特征。而传统的基于傅里叶变换的频域分析方法在分析此类信号时，由于缺乏时间信息，从而无法获得理想的分析结果。小波变换作为一种时频分析方法，可以对声发射信号中高频迅变分量和低频缓变分量进行有效分析，可以有效描述声疲劳裂纹声发射信号时域、频域局部特征，因此本文选用小波变换对含有瞬态现象且有频谱多模态的疲劳裂纹声发射信号进行分析。对于一个连续可积的信号 x(t)的连续小波变换CWT 可以定义为：.)()(1),*dtabttxabaWR（(1)式中：a 是尺度因子，该参数与频率互为倒数，它将使(t)发生伸缩变换；b 是平移因子，用于确定对 x(t)进