薄壁管道内部径向裂纹的检测

　　1　引言

　　薄壁管道是工程应用中比较常见的构件,如高压管道、直升机旋翼轴等。在这一类管状结构中,径向的疲劳裂纹往往会在管道内部产生,并沿着径向向外生长。由于裂纹在管道内部,因此很难发现。传统的超声检测技术虽然可以用来检测这种径向裂纹,但是由于需要探头对所测结构进行逐点扫描,非常耗时,不适合用于结构的实时集成诊断。与传统超声检测技术相比,应力波沿传播路径衰减很小,而且其在传播的过程中将携带任意扰动信息一起传播[1]。因此应力波信号可用于对传播路径上所有部分进行检测,并可检测距激励源很远位置的损伤。在当前众多结构损伤检测方法中,应力波方法以其对结构中缺陷的高敏感度和易于实施而得到不断发展,已成为一种重要的无损检测方法。

　　利用圆环中的周向导波,沿圆环整个厚度上的损伤信息都可以被检测,无论结构内部还是表面的缺陷。为了利用沿圆环周向传播的超声导波来检测圆环中的径向疲劳裂纹,Qu等人[2]首先研究了圆环中周向导波的频散方程,并进一步研究了圆环外部受脉冲激励后的周向瞬态波的传播问题[3],最终用实验证明了这种检测方法的有效性[4]。然而,上述工作并没有给出结构损伤检测的定量结果。此外,考虑到超声波在结构中传播时衰减较快,因此,下面尝试根据圆环中周向导波的传播特性,定量判断出结构的损伤状况。

　　本研究提出的检测方法的基本思想是,在结构的外表面激励导波,导波在传播过程中遇到缺陷后,有一部分能量会被反射回来,通过测量并处理这部分回波信号,可以获得缺陷信息。然而,圆环周向导波具有频散和多模态的特征,这是导波信息分析的难点。如果频散现象比较严重,将降低导波信号的信噪比,导致信号的特征提取与识别变得十分困难。另外,多模态的存在也使得问题更加复杂化。这些因素都将导致导波技术在无损检测领域中的应用受到限制。

　　考虑到小波分析方法[5]具有时频变换的局部性和自适应性,近年来已被逐步推广应用于检测数据的分析处理中。尤其连续小波变换曾成功地应用于悬臂梁中弯曲波的分析[6],并能准确地检测出梁中损伤的位置[7]。因此,以下采用具有良好时频分析功能的Gabor小波变换进行圆环周向导波信号的数据分析,提取出某一频率分量的信号进行损伤检测,得到一种适合于工程上推广应用的管道内部径向缺陷检测的方法。

　　2　二维圆环中的周向导波

　　考虑如图1所示的一个内径为a、外径为b的二维圆环。在极坐标系(r,θ)中,圆环中各点的位移为(ur,uθ),若不考虑体力,对应的应力满足的弹性动力学方程可表示为