專利名稱：基于wpt策略和df策略的在役az31鎂合金結構件疲勞損傷狀態(tài)表征與定量評估系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多種疲勞損傷狀態(tài)的定量評估，更特別地說，是指一種采用WPT策略(即小波包分析法)和DF策略(即雙譜分析法)對航空汽車交通中的在役AZ31鎂合金進行疲勞損傷狀態(tài)定量評估的系統(tǒng)。
背景技術：
在航空汽車交通中，在降低產品自重以降低能源消耗和減少污染上占有優(yōu)勢的鎂合金的應用越來越廣。工程構件在使用一段時間后，作為潛在結構件的AZ31鎂合金的疲勞損傷狀態(tài)對航空汽車交通中產品的使用壽命將造成重要影響。
AZ31鎂合金是典型的密排六方結構材料。由于其具有較高的比強度、比彈性模量、阻尼減震性、導熱性、靜電屏蔽性、機械加工性和極低的密度，且易于回收，被譽為“21世紀綠色工程材料”，在航空、航天、汽車、計算機、通訊和家電等領域具有廣闊的應用前景。目前，鎂合金作為一種新型結構材料，其抗疲勞和耐久性極其重要，鎂及鎂合金材料的研究已成為材料界學者研究的熱點。鎂合金在服役一定的時間后，時常會發(fā)生一些失效事故，而損傷是造成其失效的主要原因，為此要對其損傷狀態(tài)作出定量評估，及時、正確地評價AZ31鎂合金結構件的損傷等級，為其安全運行及壽命預測提供依據。聲發(fā)射技術(Acoustic Emission Technique)因具有動態(tài)、實時檢測等優(yōu)點，已廣泛的應用于結構和構件的損傷檢測。實踐表明，不同的疲勞載荷下，其裂紋擴展速率是不同的，這導致裂紋擴展中其裂紋尖端的應力是不同的，這就產生了不同疲勞損傷狀態(tài)，而在不同疲勞載荷會導致聲發(fā)射信號在頻率，波形上等的變化。因此有必要利用聲發(fā)射技術作為監(jiān)測AZ31鎂合金結構件疲勞損傷狀態(tài)的工具。小波包分析是一種較精細的信號分析方法，它適合對正弦信號進行數據壓縮和一維去噪處理，小波包分析可以克服FFT在對非平穩(wěn)信號在時-頻域內分析的限制。小波包WPT的多分辨分析將信號分解為較高的頻率分辨率及較低的時間分辨率的低頻部分和較高的時間分辨率及較低的頻率分辨的高頻部分。具有精確細分的特點和較強的時頻局部化能力，能很好滿足信號特征提取的要求。雙譜分析法是信號處理領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、非因果信號和高斯有色噪聲及盲信號。它從更高概率結構表征隨機信號，可彌補二階統(tǒng)計量(功率譜)不含相位信息、不能提取更多有用信息的缺陷，具有高分辨率和強抗噪聲能力等優(yōu)點。以聲發(fā)射波形信號數據為基礎的小波包分析和雙譜分析方法可獲得信號的定量特征，因此可以將WPT策略和DF策略相結合應用于疲勞損傷狀態(tài)的聲發(fā)射信號處理中，從而得到疲勞損傷狀態(tài)的定量表征與評估。隨著現(xiàn)代工業(yè)日益向大規(guī)模、高效率發(fā)展，作為航空汽車交通中的潛在結構件具有以下幾個特點
I、汽車所用燃料的60%是消耗于汽車自重，汽車自重每減輕10%，其燃油效率可提高5%以上；汽車自重每降低100kg，每百公里油耗可減少O. 7L左右，每節(jié)約IL燃料可減少C02排放2. 5g，年排放量減少30%以上。所以減輕汽車重量對環(huán)境和能源的影響非常大，但是鎂合金的塑性變形能力差、易開裂，嚴重影響了工業(yè)化生產，這種現(xiàn)象在實際工程應用中可能會造成災難性后果，是不容忽視的；2、由于絕大部分航空汽車交通中結構件服役時承受交變載荷，因此失效形式大部分為疲勞失效。據統(tǒng)計，由機械故障引起的事故中，80%以上與材料的疲勞損傷有關；3、目前的損傷檢測方法在結構件檢測方面都存在不同程度的局限性，如超聲波檢測和磁粉檢測等方法對結構件進行的部分抽樣檢測，盲目性大、易出現(xiàn)漏檢且檢測的周期長，工作量大，費用昂貴；4、預警評估系統(tǒng)目前尚不完善，目前應用的分析判別技術還不能對結構件的疲勞損傷做出準確的預警和安全評估，尤其是我國在航空汽車交通中安全事故時有發(fā)生，其中， 高周疲勞和低周疲勞所引起的疲勞損傷是航空汽車交通產品結構件主要的損傷狀態(tài)之一。因此，為確保航空汽車交通產品結構件安全可靠的運行，須對承力件進行檢測、判斷疲勞損傷狀態(tài)，從而進行安全評估。

發(fā)明內容
為了減少航空汽車交通中結構件在使用過程中，由于疲勞載荷的不同會有不同的疲勞損傷狀態(tài)，對AZ31鎂合金結構件所受的載荷狀態(tài)的評估對其疲勞失效的預警是很重要的，本發(fā)明提出一種采用WPT策略和DF策略對在役AZ31鎂合金結構件進行監(jiān)測，得到聲發(fā)射波形信號表示的疲勞損傷狀態(tài)信息，并采用WPT策略和DF策略對其疲勞損傷狀態(tài)進行定量評估。應用本發(fā)明的監(jiān)測結果能夠對AZ31鎂合金結構件疲勞損傷狀態(tài)進行定量的評估判斷，從而做出預警，減少裝備及人員傷亡等損失。本發(fā)明的一種基于WPT策略和DF策略的在役AZ31鎂合金結構件疲勞損傷狀態(tài)表征與定量評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)由聲發(fā)射波形信號重構單元(I)、疲勞損傷狀態(tài)評定單元(2)、疲勞損傷狀態(tài)預測單元(3)和預警單元(4)組成；其中，聲發(fā)射波形信號重構單元(I)信號分解模塊(11)、干擾系數的剔除模塊
(12)和信號重構模塊(13)組成組成；其中，疲勞損傷模式評定單元(2)由DF估計模塊(21)、歸一化處理模塊(22)和疲勞損傷度計算模塊(23)組成組成；聲發(fā)射信號重構單元(I)對接收的多路傳感信息Sv(t)進行信號分解模塊(11)得到了小波包分解系數Cli(J)，然后經過干擾系數的剔除模塊(12)得到擇優(yōu)小波包分解系數w；dn，最后信號重構模塊(13)對擇優(yōu)小波包分解系數(O進行小波包重構，輸出聲發(fā)射重構信號信息F (t)；DF估計模塊(21)采用DF策略對聲發(fā)射重構信號信息F (t)進行處理得到DF估計B (w)，然后歸一化處理模塊(22)對DF估計B (w)進行歸一化分析得到歸一化信息Bv，最后疲勞損傷頻率計算模塊(23)對歸一化信息Bv進行處理得到疲勞損傷度值F，所述疲勞損傷度值F經疲勞損傷狀態(tài)預測單元(3)進行疲勞損傷狀態(tài)評定，輸出疲勞損傷等級信息C(F)；疲勞損傷模式預測模式(4)接收到報警啟動信號后，觸發(fā)啟動開關輸出提示音。
本發(fā)明基于WPT策略和DF策略對在役AZ31鎂合金結構件疲勞損傷狀態(tài)進行評估的系統(tǒng)優(yōu)點在于(A)本發(fā)明使用WPT策略分析方法，將聲發(fā)射波形進行波形重構，得到了反映AZ31鎂合金結構件的疲勞損傷狀態(tài)的重構信號。這種方法能夠有效降低摩擦噪音等對波形的干擾，便于對AZ31鎂合金結構件的疲勞損傷狀態(tài)做出正確的評估。(B)本發(fā)明使用DF策略分析方法，將聲發(fā)射波形信息定量化，得到了反映AZ31鎂合金結構件的疲勞損傷狀態(tài)的定量參數。這種方法較傳統(tǒng)的頻譜分析方法更為直觀準確，并且具有定量化的特點，便于對AZ31鎂合金結構件的疲勞損傷狀態(tài)做出正確的評估。(C)本發(fā)明結合聲發(fā)射技術、WPT策略方法與DF策略分析方法，提出了 AZ31鎂合金結構件的重構聲發(fā)射信號的疲勞損傷頻率對疲勞損傷狀態(tài)進行評估，使得評定結果精確可靠，大大減小了錯誤的概率。(D)對疲勞損傷下的AZ31鎂合金結構件進行了疲勞損傷狀態(tài)的劃分和鑒定?？梢院唵我仔械貙ξ粗趽p傷狀態(tài)的AZ31鎂合金結構件做出疲勞損傷狀態(tài)、疲勞損傷程度的評價。(E)使用本發(fā)明可以對工況下的AZ31鎂合金結構件的疲勞損傷進行實時監(jiān)測，出現(xiàn)危險情況時可及時預警，因此可以大大減少人員財產的損失，保證安全以及經濟效益。


圖I是聲發(fā)射儀與多個傳感器連接的簡示圖。圖2是聲發(fā)射儀中存儲有AZ31鎂合金疲勞損傷狀態(tài)定量評估系統(tǒng)的結構框圖。圖2A是本發(fā)明聲發(fā)射波形信號重構單元結構框圖。圖2B是本發(fā)明疲勞損傷狀態(tài)評定單元結構框圖。圖3是聲發(fā)射波形信息示意圖。 圖4是本發(fā)明的DF歸一化信息圖。
權利要求
1.一種基于WPT策略和DF策略的在役AZ31鎂合金結構件疲勞損傷狀態(tài)表征與定量評估系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由聲發(fā)射波形信號重構單元(I)、疲勞損傷狀態(tài)評定單元(2)、疲勞損傷狀態(tài)預測單元(3)和預警單元(4)組成； 其中，聲發(fā)射波形信號重構單元(I)信號分解模塊(11)、干擾系數的剔除模塊(12)和信號重構模塊(13)組成組成； 其中，疲勞損傷模式評定單元(2)由DF估計模塊(21)、歸一化處理模塊(22)和疲勞損傷度計算模塊(23)組成組成； 信號分解重構模塊(11)對接收到的多路聲發(fā)射傳感器采集的多路聲信息Sv(t)進行小波包函數積分
2.根據權利要求I所述的基于WPT策略和DF策略的在役AZ31鎂合金結構件疲勞損傷狀態(tài)表征與定量評估系統(tǒng)，其特征在于AZ31鎂合金結構件不同疲勞損傷狀態(tài)的疲勞損傷狀態(tài)判別等級劃分標準表I所示，該表I中的所有信息存儲在聲發(fā)射儀的處理器中；
3.根據權利要求I所述的基于WPT策略和DF策略的在役AZ31鎂合金結構件疲勞損傷狀態(tài)表征與定量評估系統(tǒng)，其特征在于預警單元(4)接收到報警啟動信號后，觸發(fā)啟動開關輸出提示音。該提示音可以是如喇叭、擴音器等發(fā)出的如音樂聲等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于WPT策略和DF策略的在役AZ31鎂合金結構件疲勞損傷狀態(tài)表征與定量評估系統(tǒng)，聲發(fā)射波形信號重構單元(1)將采集的原始波形信號進行處理輸出聲發(fā)射重構信號。DF估計模塊(21)對重構信號進行傅里葉變換輸出DF估計給歸一化處理模塊(22)，其進行歸一化電壓處理輸出對角切片信息給疲勞損傷度計算模塊(23)，其進行材料損傷度計算輸出疲勞損傷度給疲勞損傷狀態(tài)預測單元(3)和預警單元(4)進行評定和報警。應用本發(fā)明能夠對AZ31鎂合金結構件疲勞損傷狀態(tài)進行直觀、定量、實時的評估判斷，從而做出預警，減少裝備及人員傷亡等損失。
文檔編號G01N29/44GK102890119SQ20121037197
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權日2012年9月29日
發(fā)明者駱紅云, 李靜, 韓志遠, 孫傳凱, 張崢, 鐘群鵬 申請人:北京航空航天大學