專利名稱：基于雙譜分析的在役16錳鋼承力件形變損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)港口大型機(jī)械設(shè)備中的承力件進(jìn)行形變損傷狀態(tài)的定量評(píng)估，更特別地說，是指一種采用雙譜分析法，對(duì)在役16錳鋼(16Mn鋼)承力件的形變損傷狀態(tài)進(jìn)行表征和定量評(píng)估的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
港口大型機(jī)械設(shè)備中的岸邊設(shè)備如裝船機(jī)、卸船機(jī)、抓斗機(jī)等，常應(yīng)用16Mn鋼作為關(guān)鍵承力件。岸邊設(shè)備在使用一段時(shí)間后，作為主要承力件的16Mn鋼的形變損傷狀態(tài)對(duì)整個(gè)岸邊設(shè)備的使用壽命將造成重要影響。
16Mn鋼是結(jié)合我國(guó)資源情況(錳是我國(guó)富產(chǎn)元素)發(fā)展起來的一種低合金鋼，已被廣泛使用。16Mn鋼承力件在服役一定的時(shí)間后，時(shí)常會(huì)發(fā)生一些失效事故，而損傷是造成其失效的主要原因，為此要對(duì)其損傷狀態(tài)作出定量評(píng)估，及時(shí)、正確地評(píng)價(jià)16Mn鋼承力件的損傷等級(jí)，為其安全運(yùn)行及壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)。
聲發(fā)射技術(shù)(Acoustic Emission Technique)因具有動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的損傷檢測(cè)。實(shí)踐表明，材料在受載荷作用時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的損傷，而損傷狀態(tài)的變化會(huì)導(dǎo)致聲發(fā)射波形信號(hào)特征發(fā)生一系列變化。例如在受靜拉伸載荷作用時(shí)會(huì)發(fā)生彈性損傷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榍p傷狀態(tài)，這些損傷狀態(tài)轉(zhuǎn)變都將引起聲發(fā)射波形信號(hào)幅度、相位、頻率的變化；因此可以利用聲發(fā)射技術(shù)作為監(jiān)測(cè)16Mn鋼承力件形變損傷狀態(tài)的工具。
雙譜分析法是信號(hào)處理領(lǐng)域非常有用的重要分析工具。它能有效的分析處理非高斯、非線性、非因果信號(hào)和高斯有色噪聲及盲信號(hào)。它從更高概率結(jié)構(gòu)表征隨機(jī)信號(hào)，可彌補(bǔ)二階統(tǒng)計(jì)量(功率譜)不含相位信息、不能提取更多有用信息的缺陷，具有高分辨率和強(qiáng)抗噪聲能力等優(yōu)點(diǎn)。以聲發(fā)射波形信號(hào)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的雙譜分析方法可獲得信號(hào)的定量譜特征，因此可以將雙譜分析法應(yīng)用于形變損傷狀態(tài)的聲發(fā)射信號(hào)處理中，從而得到形變損傷狀態(tài)的定量表征與評(píng)估。
隨著現(xiàn)代工業(yè)日益向大規(guī)模、高效率發(fā)展，作為港口重要物流裝備的大型岸邊起重機(jī)械，具有以下幾個(gè)特點(diǎn) 1、目前使用中的很多大型起重機(jī)是上世紀(jì)60年代至70年代我國(guó)自行設(shè)計(jì)制造或從東歐進(jìn)口，還有少數(shù)是從美、日等國(guó)進(jìn)口的二手設(shè)備，按設(shè)計(jì)壽命20～25年考慮，很多設(shè)備也已進(jìn)入服役后期或超期服役階段； 2、任務(wù)重，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，許多起重機(jī)的工作日趨繁重，超載的情況也時(shí)有發(fā)生； 3、目前的損傷檢測(cè)方法在大型鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面都存在不同程度的局限性，如超聲波檢測(cè)和磁粉檢測(cè)等方法對(duì)起重機(jī)進(jìn)行的部分抽樣檢測(cè)，盲目性大、易出現(xiàn)漏檢且檢測(cè)的周期長(zhǎng)，工作量大，費(fèi)用昂貴； 4、預(yù)警評(píng)估系統(tǒng)目前尚不完善，目前應(yīng)用的分析判別技術(shù)還不能對(duì)起重機(jī)承力件的形變損傷做出準(zhǔn)確的預(yù)警和安全評(píng)估，尤其是我國(guó)港口大型機(jī)械設(shè)備安全事故時(shí)有發(fā)生，其中，超載引起的拉伸形變損傷是港口大型岸邊起重裝備承力件主要的損傷模式之一。
因此，為確保大型岸邊起重機(jī)械安全可靠的運(yùn)行，須對(duì)承力件進(jìn)行檢測(cè)、判斷形變損傷狀態(tài)，從而進(jìn)行安全評(píng)估。


發(fā)明內(nèi)容
為了減少大型岸邊起重機(jī)械在使用過程中，由于形變損傷導(dǎo)致的16Mn鋼承力件突然斷裂造成的損失，本發(fā)明提出一種采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)在役16Mn鋼承力件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到聲發(fā)射波形信號(hào)表示的形變損傷狀態(tài)信息，并采用雙譜分析方法對(duì)其形變損傷狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)估。應(yīng)用本發(fā)明的監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠?qū)?6Mn鋼承力件形變損傷狀態(tài)進(jìn)行定量的評(píng)估判斷，從而做出預(yù)警，減少裝備及人員傷亡等損失。
本發(fā)明的基于雙譜分析的在役16錳鋼承力件形變損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)由原始波形信號(hào)提取單元(1)、形變損傷狀態(tài)矩陣分析單元(2)、形變損傷等級(jí)評(píng)定單元(3)和預(yù)警單元(4)組成； 其中，形變損傷狀態(tài)矩陣分析單元(2)由雙譜估計(jì)模塊(21)、雙譜對(duì)角切片模塊(22)和形變損傷狀態(tài)矩陣分析模塊(23)組成； 所述的形變損傷狀態(tài)矩陣分析模塊(23)由形變損傷狀態(tài)峰值頻次分析模塊(23A)、形變損傷狀態(tài)特征頻率分析模塊(23B)和形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)計(jì)算模塊(23C)組成； 原始波形信號(hào)提取單元(1)對(duì)接收的多路傳感信息Sn進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出聲發(fā)射波形信息f0(T)； 雙譜估計(jì)模塊(21)采用雙譜分析法對(duì)聲發(fā)射波形信息f0(T)進(jìn)行處理得到雙譜估計(jì)B(ω1，ω2)，然后雙譜對(duì)角切片模塊(22)對(duì)雙譜估計(jì)B(ω1，ω2)進(jìn)行對(duì)角切片分析得到雙譜對(duì)角切片信息ω(F)，最后形變損傷狀態(tài)特征峰頻分析模塊(23A)對(duì)角切片信息ω(F)進(jìn)行處理輸出形變損傷狀態(tài)矩陣K＝[N，F(xiàn)0，D0]給形變損傷等級(jí)評(píng)定單元(3)進(jìn)行形變損傷狀態(tài)評(píng)定； 預(yù)警單元(4)接收到報(bào)警啟動(dòng)信號(hào)后，觸發(fā)啟動(dòng)開關(guān)輸出提示音。
本發(fā)明基于雙譜分析法對(duì)16Mn鋼承力件形變損傷狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估的系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于 (A)本發(fā)明使用雙譜分析方法，將聲發(fā)射波形信息定量化，得到了反映16Mn鋼承力件的形變損傷狀態(tài)的定量參數(shù)。這種方法較傳統(tǒng)的頻譜分析方法更為直觀準(zhǔn)確，并且具有定量化的特點(diǎn)，便于對(duì)16Mn鋼的形變損傷狀態(tài)做出正確的評(píng)估。
(B)本發(fā)明結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)與雙譜分析方法，提出了16Mn鋼的形變損傷狀態(tài)矩陣，形變損傷狀態(tài)矩陣通過形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)，形變損傷狀態(tài)峰值頻次以及形變損傷狀態(tài)特征頻率三個(gè)參量共同對(duì)形變損傷狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，使得評(píng)定結(jié)果精確可靠，大大減小了錯(cuò)誤的概率。
(C)對(duì)形變損傷下的16鋼承力件進(jìn)行了形變損傷等級(jí)的劃分和鑒定?？梢院?jiǎn)單易行地對(duì)未知形變損傷狀態(tài)的16Mn鋼承力件做出形變損傷狀態(tài)、形變損傷程度的評(píng)價(jià)。
(D)使用本發(fā)明可以對(duì)工況下的16Mn鋼承力件的形變損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)可及時(shí)預(yù)警，因此可以大大減少人員財(cái)產(chǎn)的損失，保證安全以及經(jīng)濟(jì)效益。



圖1是聲發(fā)射儀與多個(gè)傳感器連接的簡(jiǎn)示圖。
圖2是聲發(fā)射儀中存儲(chǔ)有16Mn鋼形變損傷狀態(tài)定量評(píng)估系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2A是本發(fā)明形變損傷狀態(tài)矩陣分析單元結(jié)構(gòu)框圖。
圖3是聲發(fā)射波形信息示意圖。
圖4是本發(fā)明的雙譜對(duì)角切片圖。
圖中1.原始波形信號(hào)提取單元2.形變損傷狀態(tài)矩陣分析單元 21.雙譜估計(jì)模塊 22.雙譜對(duì)角切片模塊 23.形變損傷狀態(tài)矩陣分析模塊 23A.形變損傷狀態(tài)峰值頻次分析模塊 23B.形變損傷狀態(tài)特征頻率分析模塊23C.形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)計(jì)算模塊 3.形變損傷等級(jí)評(píng)定單元 4.預(yù)警單元
具體實(shí)施例方式 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明通過在大型岸邊起重機(jī)械的承力件上布置多個(gè)聲發(fā)射傳感器，并且多個(gè)聲發(fā)射傳感器的輸出端分別與聲發(fā)射儀連接。該聲發(fā)射儀對(duì)接收到的多路傳感信息應(yīng)用本發(fā)明的16Mn鋼形變損傷狀態(tài)定量評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行處理，從而對(duì)被測(cè)對(duì)象(大型岸邊起重機(jī)械的承力件)的形變損傷狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)估。參見圖1所示，一個(gè)聲發(fā)射儀分別與聲發(fā)射傳感器A、聲發(fā)射傳感器B、聲發(fā)射傳感器C、……、聲發(fā)射傳感器N連接，通過多個(gè)聲發(fā)射傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的多路聲信息的采集。
所述的聲發(fā)射傳感器選取PAC公司生產(chǎn)的R15傳感器。其共振頻率為150kHz。
所述的聲發(fā)射儀選取PAC公司生產(chǎn)的全數(shù)字式聲發(fā)射系統(tǒng)。該聲發(fā)射系統(tǒng)包括有主機(jī)系統(tǒng)和DiSP系統(tǒng)，本發(fā)明的16Mn鋼形變損傷狀態(tài)定量評(píng)估系統(tǒng)存儲(chǔ)在主機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中。該DiSP系統(tǒng)中的每通道具有高達(dá)2MHz的信號(hào)采樣率。
參見圖2、圖2A所示，為了減少大型岸邊起重機(jī)械在使用過程中，由于各種形變損傷導(dǎo)致的16Mn鋼承力件突然斷裂造成的損失，本發(fā)明采用雙譜分析法對(duì)在役16Mn鋼承力件進(jìn)行形變損傷狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)估。本發(fā)明的16Mn鋼形變損傷狀態(tài)定量評(píng)估系統(tǒng)包括有原始波形信號(hào)提取單元1、形變損傷狀態(tài)矩陣分析單元2、形變損傷等級(jí)評(píng)定單元3以及預(yù)警單元4。
在本發(fā)明中，形變損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)采用Matlab語言(版本7.0)開發(fā)，運(yùn)行在聲發(fā)射儀的處理器中。本發(fā)明采用數(shù)字化的技術(shù)手段對(duì)在役16Mn鋼承力件進(jìn)行形變損傷狀態(tài)的定量評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大型岸邊起重機(jī)械危險(xiǎn)情況的提前預(yù)警。
下面分別對(duì)本發(fā)明形變損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)中的各個(gè)單元采用的技術(shù)手段、實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行詳細(xì)說明 (一)原始波形信號(hào)提取單元1 在本發(fā)明中，原始波形信號(hào)提取單元1第一方面用于接收多個(gè)聲發(fā)射換能器(也稱傳感器)分別輸出的形變損傷狀態(tài)的傳感信息Sn，第二方面對(duì)接收到的多路傳感信息Sn進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，提取出每種損傷狀態(tài)下的聲發(fā)射信號(hào)幅值

或者聲發(fā)射能量

的聲發(fā)射波形信息f0(T)，第三方面將聲發(fā)射波形信息f0(T)輸出給形變損傷狀態(tài)矩陣分析單元2。
所述的聲發(fā)射波形信息f0(T)中包含有聲發(fā)射信號(hào)波形中的幅值、頻率、相位等諸多信息，聲發(fā)射波形信息的具體形式如圖3所示。圖中所示為每0.0000005秒記錄一個(gè)傳感器輸出的電壓數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后繪成這個(gè)波形圖。對(duì)于多路傳感器接到的聲音振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，不能定量的看出不同的振動(dòng)聲源有什么區(qū)別，因此本發(fā)明采用雙譜分析法來對(duì)信號(hào)源進(jìn)行量化表征。
在原始波形信號(hào)提取單元1對(duì)多路傳感信息Sn進(jìn)行提取獲得每種形變損傷狀態(tài)下的聲發(fā)射波形信息f0(T)所依據(jù)的關(guān)系為式中，A表示傳感信息Sn的聲發(fā)射幅值參數(shù)，Amin表示傳感信息Sn的聲發(fā)射幅值參數(shù)中的最小值，Amax表示傳感信息Sn的聲發(fā)射幅值參數(shù)中的最大值，E表示傳感信息Sn的聲發(fā)射能量參數(shù)，Emin表示傳感信息Sn的聲發(fā)射能量參數(shù)中的最小值，Emax表示傳感信息Sn的聲發(fā)射能量參數(shù)中的最大值。
(二)形變損傷狀態(tài)矩陣分析單元2 在本發(fā)明中，形變損傷狀態(tài)矩陣分析單元2由雙譜估計(jì)模塊21、雙譜對(duì)角切片模塊22和形變損傷狀態(tài)矩陣分析模塊23組成； 其中形變損傷狀態(tài)矩陣分析模塊23由形變損傷狀態(tài)峰值頻次分析模塊23A、形變損傷狀態(tài)特征頻率分析模塊23B和形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)計(jì)算模塊23C組成。
雙譜估計(jì)模塊21采用雙譜分析法對(duì)接收到的聲發(fā)射波形信息f0(T)進(jìn)行處理得到雙譜估計(jì)B(ω1，ω2)；雙譜估計(jì)B(ω1，ω2)是二維函數(shù)，具有對(duì)稱性質(zhì)，可采用雙譜的某種一維分量(雙譜切片)來分析信號(hào)的某些特性。雙譜估計(jì)B(ω1，ω2)中ω1表示雙譜切片上X軸上的頻率，ω2表示雙譜切片上Y軸上的頻率。
雙譜對(duì)角切片模塊22對(duì)接收到的雙譜估計(jì)B(ω1，ω2)進(jìn)行對(duì)角切片分析得到雙譜對(duì)角切片信息ω(F)；該雙譜對(duì)角切片信息ω(F)采用坐標(biāo)表示為如圖4所示，坐標(biāo)縱軸是歸一化雙譜值ω，橫軸是頻率F，單位(kHz)。從圖4中可以看出數(shù)學(xué)化的雙譜變換轉(zhuǎn)化為頻域，能夠定量分析出不同位置傳感器采集到的聲發(fā)射振動(dòng)源的區(qū)別。
形變損傷狀態(tài)矩陣分析模塊23接收到對(duì)角切片信息ω(F)，并分別將其傳給該模塊中的形變損傷狀態(tài)峰值頻次分析模塊23A，形變損傷狀態(tài)特征頻率分析模塊23B以及形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)計(jì)算模塊23C。
形變損傷狀態(tài)峰值頻次分析模塊23A接受到對(duì)角切片信息ω(F)后，并根據(jù)ω(F)分析出形變損傷狀態(tài)頻次指數(shù)N，方法如下取ω(F)中歸一化雙譜值＞0的峰值個(gè)數(shù)作為形變損傷狀態(tài)峰值頻次N的取值，單位為個(gè)。
形變損傷狀態(tài)特征頻率分析模塊23B接受到對(duì)角切片信息ω(F)后，并根據(jù)ω(F)分析出形變損傷狀態(tài)特征頻率F0，方法如下取ω(F)中第一個(gè)歸一化雙譜值＞0的峰值頻率作為形變損傷狀態(tài)特征頻率F0的取值，單位kHz。
形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)計(jì)算模塊23C接受到對(duì)角切片信息ω(F)后，并根據(jù)ω(F)計(jì)算出形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)D0，方法如下取歸一化雙譜值＞0的峰值頻率，并把每個(gè)峰值歸一化雙譜值的大小作為該峰值頻率的權(quán)值，得到所有歸一化雙譜值＞0的峰值頻率的加權(quán)平均值，并把該加權(quán)平均值設(shè)定為形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)D0。
設(shè)歸一化雙譜值＞0的第一個(gè)峰值的頻率為F1，歸一化雙譜值為ω1，歸一化雙譜值＞0的第二個(gè)峰值的頻率為F2，歸一化雙譜值為ω2，一直到歸一化雙譜值＞0的第n個(gè)峰值的頻率為Fn，歸一化雙譜值為ωn，則形變損傷狀態(tài)的形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)D0(kHz)為 由形變損傷狀態(tài)峰值頻次N、形變損傷狀態(tài)特征頻率F0和形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)D0共同構(gòu)成了反映16Mn鋼承力件形變損傷狀態(tài)的形變損傷狀態(tài)矩陣K＝[N，F(xiàn)0，D0]，然后將形變損傷狀態(tài)矩陣K＝[N，F(xiàn)0，D0]傳遞給形變損傷等級(jí)評(píng)定單元3。
(三)形變損傷等級(jí)評(píng)定單元3 在本發(fā)明中，該形變損傷等級(jí)評(píng)定單元3根據(jù)接收到的形變損傷狀態(tài)矩陣K＝[N，F(xiàn)0，D0]，并對(duì)其做出評(píng)定根據(jù)形變損傷狀態(tài)的危害程度大小不同將形變損傷狀態(tài)分為數(shù)個(gè)等級(jí)，當(dāng)形變損傷狀態(tài)矩陣K＝[N，F(xiàn)0，D0]中N＝Ni、F0＝Fi和D0∈Qi時(shí)，則評(píng)定為形變損傷等級(jí)C(K)＝i。
其中，C(K)為形變損傷等級(jí)信息，i為形變損傷等級(jí)，即該形變損傷狀態(tài)的形變損傷等級(jí)為第i級(jí)； Ni是第i級(jí)形變損傷的特定形變損傷狀態(tài)峰值頻次，即形變損傷等級(jí)C(K)＝i時(shí)，有N＝Ni； Fi是第i級(jí)形變損傷的特定形變損傷狀態(tài)特征頻率，即形變損傷等級(jí)C(K)＝i時(shí)，有F0＝Fi； Qi是第i級(jí)形變損傷的特定形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)分布區(qū)間，即形變損傷等級(jí)C(K)＝i時(shí)，有D0∈Qi。
當(dāng)形變損傷狀態(tài)矩陣K＝[N，F(xiàn)0，D0]不滿足等級(jí)評(píng)定條件N＝Ni、F0＝Fi和D0∈Qi時(shí)，做為野值加以剔除。
該形變損傷等級(jí)信息C(K)作為預(yù)警信息來啟動(dòng)預(yù)警單元4進(jìn)行預(yù)警。
16Mn鋼承力件的形變形變損傷狀態(tài)的形變損傷等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)示例可參見表1所示，該表1中的所有信息存儲(chǔ)在聲發(fā)射儀的主機(jī)中。
表1形變損傷等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)示例 (四)預(yù)警單元4 該預(yù)警單元4采用如喇叭、擴(kuò)音器等形式的提示音報(bào)警輸出。
在本發(fā)明中，預(yù)警單元4接收到報(bào)警啟動(dòng)信號(hào)后，觸發(fā)啟動(dòng)開關(guān)輸出提示音。該提示音可以是如喇叭、擴(kuò)音器等發(fā)出的如音樂聲。
實(shí)施例1對(duì)40噸軌道式起重機(jī)的承力件進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè) 承力件懸臂有效伸度5000mm，檢測(cè)長(zhǎng)度3000mm。
承力件所用的16Mn鋼成分見表2 表216Mn鋼成分含量 檢測(cè)用設(shè)備有(A)6個(gè)R15型聲發(fā)射傳感器，響應(yīng)頻率100～400kHz，中心頻率150kHz。
(B)聲發(fā)射儀為美國(guó)PAC公司全數(shù)字式16通道DiSP聲發(fā)射系統(tǒng)。聲發(fā)射儀檢測(cè)時(shí)的門檻值30dB，聲發(fā)射峰值定義時(shí)間PDT為300μs，聲發(fā)射撞擊限定時(shí)間HDT為600μs，聲發(fā)射撞擊閉鎖時(shí)間HLT為1000μs。
在16Mn鋼承力件的承受拉伸靜載荷過程中，首先對(duì)聲發(fā)射波形信息進(jìn)行收集，并通過本發(fā)明對(duì)形變損傷狀態(tài)作出評(píng)價(jià)。隨機(jī)抽取的部分16Mn鋼承力件形變損傷狀態(tài)定量評(píng)估結(jié)果見表3。
表3部分16Mn鋼承力件形變損傷狀態(tài)定量評(píng)估結(jié)果 從表3的評(píng)估結(jié)果可以看出所選聲發(fā)射波形信息的形變損傷狀態(tài)矩陣中，形變損傷狀態(tài)峰值頻次為1，形變損傷狀態(tài)特征頻率為128jHz左右，形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)在105至135kHz之間，因此均屬于彈塑性形變損傷狀態(tài)，形變損傷等級(jí)為1。說明該承力件還在安全范圍內(nèi)使用，形變損傷程度小，危險(xiǎn)性低，無需報(bào)警。
本發(fā)明建立了基于雙譜分析對(duì)16Mn鋼承力件進(jìn)行形變損傷狀態(tài)定量評(píng)估的系統(tǒng)，通過聲發(fā)射技術(shù)對(duì)在役16Mn鋼承力件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到聲發(fā)射信號(hào)表示的形變損傷狀態(tài)信息，并采用雙譜分析方法對(duì)其形變損傷狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)估，并評(píng)定形變損傷等級(jí)。應(yīng)用本發(fā)明能夠?qū)?6Mn鋼承力件形變損傷狀態(tài)進(jìn)行直觀、定量、實(shí)時(shí)的評(píng)估判斷，從而做出預(yù)警，減少裝備及人員傷亡等損失。
權(quán)利要求
1.一種基于雙譜分析的在役16錳鋼承力件形變損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由原始波形信號(hào)提取單元(1)、形變損傷狀態(tài)矩陣分析單元(2)、形變損傷等級(jí)評(píng)定單元(3)和預(yù)警單元(4)組成；
其中，形變損傷狀態(tài)矩陣分析單元(2)由雙譜估計(jì)模塊(21)、雙譜對(duì)角切片模塊(22)和形變損傷狀態(tài)矩陣分析模塊(23)組成；
所述的形變損傷狀態(tài)矩陣分析模塊(23)由形變損傷狀態(tài)峰值頻次分析模塊(23A)、形變損傷狀態(tài)特征頻率分析模塊(23B)和形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)計(jì)算模塊(23C)組成；
原始波形信號(hào)提取單元(1)對(duì)接收的多路傳感信息Sn進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出聲發(fā)射波形信息f0(T)；
雙譜估計(jì)模塊(21)采用雙譜分析法對(duì)聲發(fā)射波形信息f0(T)進(jìn)行處理得到雙譜估計(jì)B(ω1，ω2)，然后雙譜對(duì)角切片模塊(22)對(duì)雙譜估計(jì)B(ω1，ω2)進(jìn)行對(duì)角切片分析得到雙譜對(duì)角切片信息ω(F)，最后形變損傷狀態(tài)特征峰頻分析模塊(23A)對(duì)角切片信息ω(F)進(jìn)行處理輸出形變損傷狀態(tài)矩陣K＝[N，F(xiàn)0，D0]給形變損傷等級(jí)評(píng)定單元(3)進(jìn)行形變損傷狀態(tài)評(píng)定；
預(yù)警單元(4)接收到報(bào)警啟動(dòng)信號(hào)后，觸發(fā)啟動(dòng)開關(guān)輸出提示音。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙譜分析的在役16錳鋼承力件形變損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于原始波形信號(hào)提取單元(1)第一方面用于接收多個(gè)聲發(fā)射換能器輸出的傳感信息Sn，第二方面對(duì)接收到的多路傳感信息Sn進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，提取出每種損傷狀態(tài)下的發(fā)射信號(hào)幅值
或者聲發(fā)射能量
的聲發(fā)射波形信息f0(T)，第三方面將聲發(fā)射波形信息f0(T)輸出給形變損傷狀態(tài)矩陣分析單元(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙譜分析的在役16錳鋼承力件形變損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于雙譜估計(jì)模塊(21)采用雙譜分析法對(duì)接收到的聲發(fā)射波形信息f0(T)進(jìn)行處理得到雙譜估計(jì)B(ω1，ω2)；
雙譜對(duì)角切片模塊(22)對(duì)接收到的雙譜估計(jì)B(ω1，ω2)進(jìn)行對(duì)角切片分析得到雙譜對(duì)角切片信息ω(F)；
形變損傷狀態(tài)峰值頻次分析模塊(23A)接受到對(duì)角切片信息ω(F)后，并根據(jù)ω(F)分析出形變損傷狀態(tài)頻次指數(shù)N，方法如下取ω(F)中歸一化雙譜值＞0的峰值個(gè)數(shù)作為形變損傷狀態(tài)峰值頻次N的取值，單位為個(gè)；
形變損傷狀態(tài)特征頻率分析模塊(23B)接受到對(duì)角切片信息ω(F)后，并根據(jù)ω(F)分析出形變損傷狀態(tài)特征頻率F0，方法如下取ω(F)中第一個(gè)歸一化雙譜值＞0的峰值頻率作為形變損傷狀態(tài)特征頻率F0的取值，單位kHz；
形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)計(jì)算模塊(23C)接受到對(duì)角切片信息ω(F)后，并根據(jù)ω(F)計(jì)算出形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)D0，方法如下取歸一化雙譜值＞0的峰值頻率，并把每個(gè)峰值歸一化雙譜值的大小作為該峰值頻率的權(quán)值，得到所有歸一化雙譜值＞0的峰值頻率的加權(quán)平均值，并把該加權(quán)平均值設(shè)定為形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)D0；
由形變損傷狀態(tài)峰值頻次N、形變損傷狀態(tài)特征頻率F0和形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)D0共同構(gòu)成了反映16Mn鋼承力件形變損傷狀態(tài)的形變損傷狀態(tài)矩陣K＝[N，F(xiàn)0，D0]，然后將形變損傷狀態(tài)矩陣K＝[N，F(xiàn)0，D0]傳遞給形變損傷等級(jí)評(píng)定單元(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙譜分析的在役16錳鋼承力件形變損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于形變損傷等級(jí)評(píng)定單元(3)根據(jù)接收到的形變損傷狀態(tài)矩陣K＝[N，F(xiàn)0，D0]，應(yīng)用形變損傷等級(jí)C(K)＝i和等級(jí)評(píng)定條件N＝Ni、F0＝Fi和D0∈Qi進(jìn)行評(píng)定在役16錳鋼承力件的形變損傷狀態(tài)的危害程度大?。?br> 其中，C(K)為形變損傷等級(jí)信息，i為形變損傷等級(jí)，即該形變損傷狀態(tài)的形變損傷等級(jí)為第i級(jí)；
Ni是第i級(jí)形變損傷的特定形變損傷狀態(tài)峰值頻次，即形變損傷等級(jí)C(K)＝i時(shí)，有N＝Ni；
Fi是第i級(jí)形變損傷的特定形變損傷狀態(tài)特征頻率，即形變損傷等級(jí)C(K)＝i時(shí)，有F0＝Fi；
Qi是第i級(jí)形變損傷的特定形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)分布區(qū)間，即形變損傷等級(jí)C(K)＝i時(shí)，有D0∈Qi；
當(dāng)形變損傷狀態(tài)矩陣K＝[N，F(xiàn)0，D0]不滿足所述等級(jí)評(píng)定條件N＝Ni、F0＝Fi和D0∈Qi時(shí)，做為野值剔除；
該形變損傷等級(jí)信息C(K)作為預(yù)警信息來啟動(dòng)預(yù)警單元(4)進(jìn)行預(yù)警。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙譜分析的在役16錳鋼承力件形變損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于所述的聲發(fā)射波形信息f0(T)中包含有聲發(fā)射信號(hào)波形中的幅值、頻率、相位等諸多信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙譜分析的在役16錳鋼承力件形變損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于在原始波形信號(hào)提取單元(1)對(duì)多路傳感信息Sn進(jìn)行提取獲得每種形變損傷狀態(tài)下的聲發(fā)射波形信息f0(T)所依據(jù)的關(guān)系為式中，A表示傳感信息Sn的聲發(fā)射幅值參數(shù)，Amin表示傳感信息Sn的聲發(fā)射幅值參數(shù)中的最小值，Amax表示傳感信息Sn的聲發(fā)射幅值參數(shù)中的最大值，E表示傳感信息Sn的聲發(fā)射能量參數(shù)，Emin表示傳感信息Sn的聲發(fā)射能量參數(shù)中的最小值，Emax表示傳感信息Sn的聲發(fā)射能量參數(shù)中的最大值。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙譜分析的在役16錳鋼承力件形變損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于雙譜估計(jì)B(ω1，ω2)是二維函數(shù)，具有對(duì)稱性質(zhì)，可采用雙譜的雙譜切片來分析信號(hào)的某些特性；雙譜估計(jì)B(ω1，ω2)中ω1表示雙譜切片上X軸上的頻率，ω2表示雙譜切片上Y軸上的頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙譜分析的在役16錳鋼承力件形變損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于設(shè)歸一化雙譜值＞0的第一個(gè)峰值的頻率為F1，歸一化雙譜值為ω1，歸一化雙譜值＞0的第二個(gè)峰值的頻率為F2，歸一化雙譜值為ω2，一直到歸一化雙譜值＞0的第n個(gè)峰值的頻率為Fn，歸一化雙譜值為ωn，則形變損傷狀態(tài)的形變損傷狀態(tài)頻率指數(shù)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙譜分析的在役16錳鋼承力件形變損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)的原始波形信號(hào)提取單元(1)對(duì)多路傳感信息Sn進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出聲發(fā)射波形信息f0(T)；雙譜估計(jì)模塊(21)采用雙譜分析法對(duì)聲發(fā)射波形信息f0(T)進(jìn)行處理得到雙譜估計(jì)B(ω1，ω2)，然后雙譜對(duì)角切片模塊(22)對(duì)雙譜估計(jì)B(ω1，ω2)進(jìn)行對(duì)角切片分析得到雙譜對(duì)角切片信息ω(F)，最后形變損傷狀態(tài)峰值頻次分析模塊(23A)對(duì)角切片信息ω(F)進(jìn)行處理輸出形變損傷狀態(tài)矩陣K＝[N，F(xiàn)0，D0]給形變損傷等級(jí)評(píng)定單元(3)和預(yù)警單元(4)進(jìn)行評(píng)定和報(bào)警。本發(fā)明通過聲發(fā)射技術(shù)對(duì)在役16Mn鋼承力件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到聲發(fā)射信號(hào)表示的形變損傷狀態(tài)信息，并采用雙譜分析方法對(duì)其形變損傷狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)估，并評(píng)定形變損傷等級(jí)。應(yīng)用本發(fā)明能夠?qū)?6Mn鋼承力件形變損傷狀態(tài)進(jìn)行直觀、定量、實(shí)時(shí)的評(píng)估判斷，從而做出預(yù)警，減少裝備及人員傷亡等損失。
文檔編號(hào)G01N29/14GK101762634SQ200910243169
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者駱紅云, 王宏偉, 韓志遠(yuǎn), 鐘群鵬 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)