智能材料结构中的几种无损检测新技术

　　引　言

　　几十年来,利用振动和波动信息的无损检测技术一直受到人们的重视。这些技术已广泛应用于建筑、机械、航空航天、军事、核反应堆等工程领域,检测那些服役已久的结构,以便在损伤及缺陷形成初期将其检测出来,消除隐患。我国从20世纪50年代开始进行大规模工程结构建设,到本世纪初,很多航空、能源、石油化工、民用建筑结构已陆续进入老龄期。据劳动部统计[1],我国在20世纪末的锅炉和压力容器爆炸事故比工业化国家高10倍(其中恶性事故高100倍),人员累计伤亡居国内劳动安全事故第二位。在美、日等国,因结构老龄化而造成的破坏也占其每年国民经济总值的6%～8%,恶性事故也时有发生。因此,老龄结构的安全评估最近被提到了一个突出重视的地位,比如美国核管会(NRC)已将中老龄核电站的运行安全列为最重要的未解决安全问题[2]。目前传统的无损检测方法要求事先知道缺陷及损伤的大致部位,并要求这些部位容易检测,且不便于实时在线[3]。在过去的20多年里,人们发展了许多基于振动分析的损伤识别方法,其基本思想是:结构模态性质是结构物理参数的函数,一旦结构出现损伤,模态参数(如固有频率、位移模态、应变模态、模态曲率、模态刚度、模态阻尼等)就会发生相应的变化,从而通过结构动力学特性变化来识别结构损伤,这些方法已获得了广泛的应用,最突出的例子是美国NASA的航天飞机模态检测系统[4]。但模态分析法依赖于全局特性测试,且局限在低频范围内。当结构中存在微小缺陷时,全局参数变化不明显,而实际的结构损伤往往是一种局部现象,只有高频模态才能得到局部响应信息,但在实际应用中产生高频响应几乎是不可能的。

　　声发射技术是另一种重要的损伤检测技术。声发射是材料或结构在受载产生变形、断裂时,以弹性波形式释放出应变能的现象。与其他传统无损检测技术相比,声发射技术的检测灵敏度是最高的,可以检测到微米量级的显微裂纹变化,且几乎不受材料限制[5]。若采用多通道探头按一定阵列方式布置,则一次试验中就可检测到整个大型构件中的缺陷分布及其危害性,这是其他常规无损检测方法难以做到的。但由于检测时要给构件加载,且在构件裂纹进入失稳扩展期时,才会有明显的声发射现象[5～6],因此,严格地说,声发射技术属于有损检测范畴。

　　智能材料结构的发展,使得无损检测技术有了新的进步,出现了一些智能材料结构概念下的新方法、新技术,如基于振动和波动理论的压电高频阻抗技术和应力波技术,基于光波导理论的光纤传感技术等,使得实时、在线、主动监测和控制容易实现。

　　1　应力波因子技术