專利名稱：一種檢測金屬材料疲勞狀態(tài)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬檢測技術(shù)，更具體地，涉及一種檢測金屬材料疲勞狀態(tài)的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
金屬構(gòu)件在變動應(yīng)力和應(yīng)變長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞，實際工作中的許多機(jī)件均是在變動載荷下工作的。事實上，汽車零部件的破壞多數(shù)由疲勞引起的，航空工程有60% -80%的斷裂是由結(jié)構(gòu)材料的疲勞破壞引起的。疲勞問題不僅出現(xiàn)在機(jī)械、航天、土木建筑等部門，在核工程、水陸運輸?shù)葞缀跛械墓こ填I(lǐng)域都普遍存在。 目前，聲發(fā)射技術(shù)作為一種新興的動態(tài)無損檢測方法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于航空航天、橋梁、材料、地質(zhì)等工業(yè)中。材料中局部區(qū)域應(yīng)力集中，快速釋放能量并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。金屬材料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴(kuò)展，是零部件失效的重要機(jī)制。采用聲發(fā)射技術(shù)研究金屬材料的疲勞問題，常需要各種信號處理方法，基本上可以分為參數(shù)分析法和波形分析法。參數(shù)分析法主要是對聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行趨勢分析。常用的聲發(fā)射參數(shù)有振幅、持續(xù)時間、上升時間、振鈴計數(shù)、相對能量，其特征含義如圖I所示。其中，閾值是由人工設(shè)定的，有一定的主觀性，主要靠經(jīng)驗來取舍。上升時間指信號首次超過閾值到達(dá)最大值時經(jīng)歷的時間，持續(xù)時間是指信號首次超過閾值到再次低于閾值所經(jīng)歷的時間。超過閾值的脈沖稱為振鈴，統(tǒng)計單位時間內(nèi)的振鈴，稱為振鈴計數(shù)。能量包絡(luò)線區(qū)域內(nèi)的面積稱為相對能量。此外，撞擊數(shù)也是聲發(fā)射技術(shù)的重要參數(shù)。信號幅值超過了設(shè)定的閾值，此時聲發(fā)射系統(tǒng)采集信號，設(shè)定1024個點作為一個存儲單位，叫做一個Hit，因此采集到的數(shù)據(jù)以一系列的Hit文本文件存儲。波形分析法，主要是讀取信號頻譜圖，進(jìn)行頻域分析，多用于參數(shù)分析法后的輔助分析。在申請?zhí)枮?01010119536. 7的中國發(fā)明專利“金屬材料疲勞早期損傷非線性超
聲在線檢測方法”的技術(shù)方案中，根據(jù)被測試件的厚度確定激勵信號，并且產(chǎn)生單一音頻信號；根據(jù)空載時的噪聲信號幅值確定聲發(fā)射儀的門檻值；對被測試件進(jìn)行疲勞加載，由聲發(fā)射傳感器連續(xù)實時監(jiān)測聲發(fā)射信號，方法后輸入聲發(fā)射儀，根據(jù)門檻值判斷是否存在疲勞裂紋。其中，在聲發(fā)射信號采集的過程中，都會受到主觀閾值的影響。如果閾值取的較大，雖然信號中混入噪聲會很大程度的降低，但振鈴的數(shù)量就會減少，相對能量的值也會減小。如果閾值取得很小，信號中會混入大量的噪聲，會嚴(yán)重的影響材料疲勞特性規(guī)律研究的真實性。另外，在進(jìn)行疲勞試驗時，往往采用帶有預(yù)制裂紋的標(biāo)準(zhǔn)試樣，而不是采用真實的零件。標(biāo)準(zhǔn)試樣上的預(yù)制裂紋在循環(huán)應(yīng)力加載下，會引導(dǎo)裂紋的生長方向，因此主要裂紋的長度比較容易測量。而實際的零件由于表面或者內(nèi)部存在著各種缺陷，在循環(huán)應(yīng)力的加載下，微裂紋可能存在內(nèi)部，也可能存在于表面，擴(kuò)展方向不確定，難以用現(xiàn)有的設(shè)備來測量。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，本發(fā)明提出一種檢測金屬材料疲勞狀態(tài)的方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提出了一種檢測金屬材料疲勞狀態(tài)的方法，包括步驟 I、采用聲發(fā)射傳感器，獲取金屬材料疲勞釋放的聲發(fā)射電壓信號；步驟2、將采集到的聲發(fā)射能量信號轉(zhuǎn)換為一定頻率范圍內(nèi)的能量累計；步驟3、根據(jù)特定頻率范圍內(nèi)的能量累計計算其疲勞狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種檢測金屬材料疲勞狀態(tài)的系統(tǒng)，包括采集模塊、計算模塊和顯示模塊；其中，該采集模塊包括聲發(fā)射傳感器，用于獲取金屬材料疲勞累計所釋放的聲發(fā)射能量的電壓信號；計算模塊，連接到采集模塊，用于將采集到的聲發(fā)射信號轉(zhuǎn)換為特定頻率范圍內(nèi)的能量累計，然后計算其疲勞狀態(tài)。顯示模塊，連接到計算模塊，用于將真實疲勞信號的能量值顯示為金屬材料隨時間變化的疲勞狀態(tài)。本發(fā)明可以有效的對零件進(jìn)行疲勞狀態(tài)監(jiān)測和進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測，應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中安全系數(shù)可以不必選擇過高。另外，機(jī)械結(jié)構(gòu)達(dá)到理論壽命時，本發(fā)明可以很好的判定是否仍然可以繼續(xù)使用，也可以達(dá)到節(jié)約成本的目的。運行中的設(shè)備，采用本申請的技術(shù)方案可以實時監(jiān)測其疲勞狀態(tài)，極大的保障操作者的人身安全。


圖I示出現(xiàn)有技術(shù)的聲發(fā)射參數(shù)含義圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的信號采集過程示意圖；圖3示出典型疲勞信號的頻域圖；圖4示出功率譜平均值示意圖；圖5示出A組齒輪累積F-energy隨負(fù)載循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律的曲線圖；圖6示出根據(jù)本發(fā)明的機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。如圖所示，為了能明確實現(xiàn)本發(fā)明的實施例的結(jié)構(gòu)，在圖中標(biāo)注了特定的結(jié)構(gòu)和器件，但這僅為示意需要，并非意圖將本發(fā)明限定在該特定結(jié)構(gòu)、器件和環(huán)境中，根據(jù)具體需要，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以將這些器件和環(huán)境進(jìn)行調(diào)整或者修改，所進(jìn)行的調(diào)整或者修改仍然包括在后附的權(quán)利要求的范圍中。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的一種檢測金屬材料疲勞狀態(tài)的方法和系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述。在以下的描述中，將描述本發(fā)明的多個不同的方面，然而，對于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言，可以僅僅利用本發(fā)明的一些或者全部結(jié)構(gòu)或者流程來實施本發(fā)明。為了解釋的明確性而言，闡述了特定的數(shù)目、配置和順序，但是很明顯，在沒有這些特定細(xì)節(jié)的情況下也可以實施本發(fā)明。在其他情況下，為了不混淆本發(fā)明，對于一些眾所周知的特征將不再進(jìn)行詳細(xì)闡述。為了更大程度的消除干擾噪聲對真實疲勞信號的影響，本申請在頻域上把噪聲信號和疲勞信號區(qū)別開來。其中，本申請?zhí)峁┑囊环N檢測金屬材料疲勞狀態(tài)的方法包括對大量的技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，獲取疲勞裂紋擴(kuò)展的特征頻域區(qū)間；對這些特征頻域區(qū)間的信號進(jìn)行積分，獲取一定時間內(nèi)的能量值；最后將這種頻域能量提取出來，轉(zhuǎn)換為隨負(fù)載時間變化的疲勞狀態(tài)。金屬材料累積一定程度疲勞后，會帶來一系列的彈性、塑性變形，并且以聲波的形式向外釋放能量，稱為聲發(fā)射。在使用特殊的聲發(fā)射傳感器后，可以將這些能量信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并記錄下來。因此，從時域上來講，記錄的電壓信號是多個信號源電壓的疊加；從頻域上來講，記錄的電壓信號包含豐富的頻率成分。而實際的情況下，傳感器中必然會混入噪聲，通過分析，可以得到哪些是和材料疲勞有關(guān)的頻率，哪些是噪聲頻段。獲得和金屬材料有關(guān)的特征頻率斷后，采樣帶通濾波技術(shù)可以將噪聲信號濾去。根據(jù)聲發(fā)射信號能量的計算公式，將采集到的電壓信號平方，并求取一定時間對時間的積分，可以求得該時間內(nèi)的能量累積；同樣，對這一時間段的時域電壓信號做傅里葉變化，得到信號的頻域相應(yīng)，將頻域信號在所有的頻段上積分，也可以得到相應(yīng)的能量。 圖2描述了疲勞實驗及信號采集的整個過程，采集中的主要設(shè)備包括一臺LG-300C型高頻拉壓疲勞試驗機(jī)和一臺美國物理聲學(xué)公司的PCI-2型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。實驗載體是真實零件-齒輪。一共進(jìn)行了七組實驗，每組實驗齒輪材料及加工工藝完全相同。在對大量的實驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，得到典型的疲勞裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號，經(jīng)過傅里葉變換后，其頻域響應(yīng)如圖3所示。橫軸表示信號頻率，縱軸表示信號的頻域幅值。從圖上可以看出，信號頻率響應(yīng)大部分處于100KHZ-400KHz之間，這一頻率段集中了大部分的信號能量。為了更精確的得到頻率段的范圍，將某一組實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜平均處理，即將每段時間內(nèi)數(shù)據(jù)的功率譜計算出來，然后疊加求平均。這樣處理的結(jié)果是，特征頻率段就會顯現(xiàn)出來，而其它頻率段會湮沒甚至消失。振動學(xué)觀點認(rèn)為，幅值小于最大值的2%_5%以下可以認(rèn)為是O。因此取最大值的2%，在功率譜平均圖上畫一條線，兩條曲線的交點即為精確的頻率區(qū)間點，如圖4所示。深色的線表示最大幅值的2%，對其余的六組數(shù)據(jù)做同樣的處理，最后得到的齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展的特征頻率區(qū)間116KHz-366KHz。金屬材料由于疲勞的產(chǎn)生會不斷的出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象。研究表明，一個聲發(fā)射波形類似于衰減的正弦波。而事實上，疲勞裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號含有較復(fù)雜的頻率成分，是多個聲發(fā)射源信號的疊加V = Xd^-- Sh(COJ))(I)式中，V表示瞬時電壓，由輸入的疲勞聲發(fā)射信號經(jīng)傳感器的靈敏度轉(zhuǎn)換后得到；Vi是轉(zhuǎn)換后電壓信號的瞬時峰值；β表示衰減因子，和材料本身的屬性密切相關(guān)，是一個常量；Oi表示有關(guān)疲勞狀態(tài)的聲發(fā)射事件頻率。將轉(zhuǎn)換后的時域電壓信號，經(jīng)過傅里葉變換，得到信號的頻率響應(yīng)。根據(jù)能量公式，疲勞信號的能量E分別在時域和頻域上可以由下式表示
+03^ +00E= f I /■(/') I2 d/=— [l F( j(D) I2 dm( 2 )
I .2π
式中，f表示時域電壓信號，F(xiàn)是經(jīng)過傅里葉變換后的頻域信號。假設(shè)疲勞裂紋擴(kuò)展的頻率區(qū)間為Od-COu，而真實的疲勞信號是多個聲發(fā)射源的疊加，所以特定頻率區(qū)間的真實疲勞信號的能量，本發(fā)明給出了新的定義F-energy,其定義公式如下
權(quán)利要求
1.一種檢測金屬材料疲勞狀態(tài)的方法，包括 步驟10、采用聲發(fā)射傳感器，獲取金屬材料疲勞釋放的聲發(fā)射電壓信號； 步驟20、將采集到的聲發(fā)射信號轉(zhuǎn)換為特定頻率范圍內(nèi)的能量累計； 步驟30、根據(jù)特定頻率范圍內(nèi)的能量累計，獲取其當(dāng)前的疲勞狀態(tài)和壽命預(yù)報。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟10還包括通過疲勞試驗和聲發(fā)射監(jiān)測，獲取疲勞裂紋擴(kuò)展的特征頻域區(qū)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟20包括 將所述電壓信號通過傅里葉變換，獲取其頻率響應(yīng)；· 根據(jù)能量公式，獲取其頻域能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，步驟30包括 根據(jù)特定頻率范圍內(nèi)的能量累計，得到金屬材料的疲勞狀態(tài)，并進(jìn)行壽命預(yù)報。
5 根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟20中，其中所述真實疲勞信號的頻域能量值為
6.一種檢測金屬材料疲勞狀態(tài)的系統(tǒng)，包括采集模塊、計算模塊和顯示模塊； 其中，該采集模塊包括聲發(fā)射傳感器，用于獲取金屬材料疲勞累計所釋放的聲發(fā)射能量的電壓信號； 計算模塊，連接到采集模塊，用于將采集到的聲發(fā)射信號轉(zhuǎn)換為特定頻率范圍內(nèi)的能量累計，獲取其疲勞狀態(tài)； 顯示模塊，連接到計算模塊，用于將真實疲勞信號的能量值顯示為金屬材料的疲勞狀態(tài)和壽命預(yù)報值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，計算模塊還用于通過疲勞試驗和聲發(fā)射監(jiān)測，獲取疲勞裂紋擴(kuò)展的特征頻域區(qū)間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，計算模塊用于將所述電壓信號通過傅里葉變換，獲取其頻率響應(yīng)；并且根據(jù)能量公式，獲取其頻域能量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述真實疲勞信號的頻域能量值為
全文摘要
本申請?zhí)峁┮环N檢測金屬材料疲勞狀態(tài)的方法和系統(tǒng)，其中，采用聲發(fā)射傳感器，獲取金屬材料疲勞所釋放的聲發(fā)射電壓信號；將采集到的聲發(fā)射能量信號轉(zhuǎn)換為特定頻率范圍內(nèi)的能量累計；根據(jù)特定頻率范圍內(nèi)的能量累計轉(zhuǎn)換為疲勞狀態(tài)，同時得出壽命預(yù)報。
文檔編號G01N29/14GK102854252SQ20121033302
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者黃杰, 畢路拯, 石鵬飛 申請人:北京理工大學(xué)