一種金屬材料疲勞加載試驗(yàn)與疲勞損傷無損檢測分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及聲發(fā)射無損檢測領(lǐng)域與材料智能表征領(lǐng)域，具體涉及一種金屬材料疲 勞加載試驗(yàn)與疲勞損傷無損檢測分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速鐵路在我國發(fā)展迅速，高速鐵路的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、服役安全評(píng)價(jià)問題也隨之 而來，保障高速列車的運(yùn)行安全，具有重大政治、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)意義。高速列車齒輪箱屬于A 類關(guān)鍵部件，在發(fā)現(xiàn)齒輪箱存在安全隱患后應(yīng)立即停車檢查，箱體作為齒輪箱的重要部分， 若存在裂紋而爆裂，將造成巨大的損失。根據(jù)實(shí)際條件情況，選擇合適的無損檢測技術(shù)，識(shí) 別金屬材料在服役過程中的狀態(tài)并做出安全預(yù)警，對(duì)保障構(gòu)件的服役安全具有重要意義。
[0003] 對(duì)于失效形式主要由疲勞產(chǎn)生的金屬構(gòu)件，傳統(tǒng)分析方法是對(duì)金屬試樣采用加速 疲勞試驗(yàn)，通過試驗(yàn)來確定金屬材料的疲勞壽命。但這種方法是破壞性試驗(yàn)，不能對(duì)服役過 程中的金屬材料的疲勞壽命進(jìn)行分析與預(yù)測。對(duì)于金屬材料，當(dāng)受到外力作用時(shí)，金屬鍵 會(huì)逐步發(fā)生塑性形變，發(fā)生斷裂，金屬鍵的斷裂會(huì)伴隨聲現(xiàn)象的產(chǎn)生，當(dāng)有較大金屬鍵斷裂 時(shí)，聲發(fā)射現(xiàn)象明顯，可以采用聲發(fā)射儀測得相應(yīng)的信號(hào)，能夠保證實(shí)時(shí)、在線對(duì)金屬材料 的服役過程進(jìn)行監(jiān)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種金屬材料疲勞加載試驗(yàn)與疲勞損傷無損檢測分析方法， 采用聲發(fā)射儀對(duì)金屬材料的疲勞過程進(jìn)行監(jiān)測，為了準(zhǔn)確識(shí)別金屬材料疲勞失效時(shí)的聲發(fā) 射信號(hào)特征，設(shè)計(jì)搭載聲發(fā)射儀的疲勞試驗(yàn)，采集聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行特征提 取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞損傷的識(shí)別與安全預(yù)警。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案：
[0006] -種金屬材料疲勞加載試驗(yàn)與疲勞損傷無損檢測分析方法，所述方法包括搭載聲 發(fā)射儀的疲勞試驗(yàn)與疲勞損傷無損檢測分析兩部分，所述疲勞損傷無損檢測分析將所述搭 載聲發(fā)射儀的疲勞試驗(yàn)中測得的參數(shù)計(jì)算分析，所述搭載聲發(fā)射儀的疲勞試驗(yàn)包括材料試 樣疲勞加載、搭載聲發(fā)射系統(tǒng)和聲發(fā)射信號(hào)采集，所述疲勞損傷無損檢測分析包括聲發(fā)射 信號(hào)特征提取、損傷識(shí)別和安全預(yù)警。
[0007] 進(jìn)一步的，所述搭載聲發(fā)射儀的疲勞試驗(yàn)具體步驟如下：
[0008] (1)材料試樣疲勞加載，將試驗(yàn)所用金屬材料加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣的形狀，試樣中部有 初始裂紋，在采集信號(hào)前對(duì)試樣進(jìn)行裂紋的預(yù)制，將預(yù)制疲勞裂紋后的試樣安裝到疲勞加 載設(shè)備上，然后根據(jù)不同的金屬材料，選擇合適的加載載荷，設(shè)置加載的應(yīng)力比，選擇合適 的加載頻率；
[0009] (2)搭載聲發(fā)射系統(tǒng)，在金屬試樣的預(yù)制裂紋前端放置聲發(fā)射傳感器，并在金屬試 樣與聲發(fā)射傳感器之間涂抹耦合劑，保障二者之間的有效接觸，然后將探頭固定在試樣上 面，并根據(jù)材料不同設(shè)置適當(dāng)?shù)穆暟l(fā)射儀采集參數(shù)。
[0010] (3)第三步，采集聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)試件開始進(jìn)行疲勞加載，同時(shí)觸發(fā)聲發(fā)射儀，不斷 采集聲發(fā)射參數(shù)信號(hào)，并保存在聲發(fā)射工作站中。
[0011] 進(jìn)一步的，所述疲勞損傷無損檢測分析具體步驟如下：
[0012] (1)聲發(fā)射信號(hào)特征提取，將測得的參數(shù)信號(hào)一一上升時(shí)間、能量和持續(xù)時(shí)間與做 計(jì)數(shù)的比值，按照步長η對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)的均值統(tǒng)計(jì)和相關(guān)系數(shù)分析；
[0013] (2)損傷識(shí)別，首先對(duì)臨界點(diǎn)前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，確定每類樣本的數(shù)量，將穩(wěn)定 擴(kuò)展階段的數(shù)據(jù)量設(shè)定為Ii 1，快速擴(kuò)展階段的數(shù)據(jù)量為％，對(duì)于不同階段的數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù) 量的差別，賦予不同的權(quán)值，對(duì)樣本進(jìn)行分類器的訓(xùn)練和測試，按照留一驗(yàn)證的方法進(jìn)行測 試和訓(xùn)練樣本的選擇，在訓(xùn)練過程中，利用粒子群優(yōu)化算法PSO對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，并 結(jié)合最優(yōu)參數(shù)建立最佳損傷識(shí)別分類，最后對(duì)測試樣本進(jìn)行損傷識(shí)別分類。
[0014] (3)安全預(yù)警，以能量/計(jì)數(shù)作為安全預(yù)警的輸入進(jìn)行建模，最小二乘支持向量機(jī) LSSVM采用最小二乘系統(tǒng)作為損失函數(shù)，將粒子群尋優(yōu)算法PSO和LSSVM進(jìn)行結(jié)合，采用 PSO優(yōu)化的LSSVM算法計(jì)算，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地進(jìn)行數(shù)據(jù)更新和預(yù)測及預(yù)警。
[0015] 進(jìn)一步的，所述搭載聲發(fā)射儀的疲勞試驗(yàn)步驟（3)中參數(shù)信號(hào)包括上升時(shí)間、計(jì) 數(shù)、能量、持續(xù)時(shí)間。
[0016] 進(jìn)一步的，所述疲勞損傷無損檢測分析步驟（1)參數(shù)的均值統(tǒng)計(jì)和相關(guān)系數(shù)分析 具體如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種金屬材料疲勞加載試驗(yàn)與疲勞損傷無損檢測分析方法，其特征在于，所述方法 包括搭載聲發(fā)射儀的疲勞試驗(yàn)與疲勞損傷無損檢測分析兩部分，所述疲勞損傷無損檢測分 析將所述搭載聲發(fā)射儀的疲勞試驗(yàn)中測得的參數(shù)計(jì)算分析，所述搭載聲發(fā)射儀的疲勞試驗(yàn) 包括材料試樣疲勞加載、搭載聲發(fā)射系統(tǒng)和聲發(fā)射信號(hào)采集，所述疲勞損傷無損檢測分析 包括聲發(fā)射信號(hào)特征提取、損傷識(shí)別和安全預(yù)警。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述搭載聲發(fā)射儀的疲勞試驗(yàn)具體步驟 如下： (1) 材料試樣疲勞加載，將試驗(yàn)所用金屬材料加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣的形狀，試樣中部有初始 裂紋，在采集信號(hào)前對(duì)試樣進(jìn)行裂紋的預(yù)制，將預(yù)制疲勞裂紋后的試樣安裝到疲勞加載設(shè) 備上，然后根據(jù)不同的金屬材料，選擇合適的加載載荷，設(shè)置加載的應(yīng)力比，選擇合適的加 載頻率； (2) 搭載聲發(fā)射系統(tǒng)，在金屬試樣的預(yù)制裂紋前端放置聲發(fā)射傳感器，并在金屬試樣與 聲發(fā)射傳感器之間涂抹耦合劑，保障二者之間的有效接觸，然后將探頭固定在試樣上面，并 根據(jù)材料不同設(shè)置適當(dāng)?shù)穆暟l(fā)射儀采集參數(shù)。 (3) 第三步，采集聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)試件開始進(jìn)行疲勞加載，同時(shí)觸發(fā)聲發(fā)射儀，不斷采集 聲發(fā)射參數(shù)信號(hào)，并保存在聲發(fā)射工作站中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述疲勞損傷無損檢測分析具體步驟如 下： (1) 聲發(fā)射信號(hào)特征提取，將測得的參數(shù)信號(hào)一一上升時(shí)間、能量和持續(xù)時(shí)間與做計(jì)數(shù) 的比值，按照步長η對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)的均值統(tǒng)計(jì)和相關(guān)系數(shù)分析； (2) 損傷識(shí)別，首先對(duì)臨界點(diǎn)前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，確定每類樣本的數(shù)量，將穩(wěn)定擴(kuò)展 階段的數(shù)據(jù)量設(shè)定為Ii1，快速擴(kuò)展階段的數(shù)據(jù)量為％，對(duì)于不同階段的數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)量的 差別，賦予不同的權(quán)值，對(duì)樣本進(jìn)行分類器的訓(xùn)練和測試，按照留一驗(yàn)證的方法進(jìn)行測試和 訓(xùn)練樣本的選擇，在訓(xùn)練過程中，利用粒子群優(yōu)化算法PSO對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，并結(jié)合 最優(yōu)參數(shù)建立最佳損傷識(shí)別分類，最后對(duì)測試樣本進(jìn)行損傷識(shí)別分類。 (3) 安全預(yù)警，以能量/計(jì)數(shù)作為安全預(yù)警的輸入進(jìn)行建模，最小二乘支持向量機(jī) LSSVM采用最小二乘系統(tǒng)作為損失函數(shù)，將粒子群尋優(yōu)算法PSO和LSSVM進(jìn)行結(jié)合，采用 PSO優(yōu)化的LSSVM算法計(jì)算，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地進(jìn)行數(shù)據(jù)更新和預(yù)測及預(yù)警。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟（3)中參數(shù)信號(hào)包括上升時(shí)間、 計(jì)數(shù)、能量、持續(xù)時(shí)間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟（1)參數(shù)的均值統(tǒng)計(jì)和相關(guān)系數(shù) 分析具體如下：
ni
其中： 分別表示：上升時(shí)間、能量和持續(xù)時(shí)間與計(jì)數(shù)的比值； xaj)表示：上升時(shí)間/計(jì)數(shù)與能量/計(jì)數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)； &5^表示：上升時(shí)間/計(jì)數(shù)與持續(xù)時(shí)間/計(jì)數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)； &6^表示：持續(xù)時(shí)間/計(jì)數(shù)與能量/計(jì)數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)； 氏、Q、EjP D冷別表示第i個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的上升時(shí)間、計(jì)數(shù)、能量和持續(xù)時(shí)間，j表示 步長區(qū)間的編號(hào)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟（2)判斷臨界點(diǎn)的條件為：裂紋 擴(kuò)展速率大于HT3Him/次循環(huán)加載。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟（2)中的耦合劑為凡士林。
【專利摘要】一種金屬材料疲勞加載試驗(yàn)與疲勞損傷無損檢測分析方法，同時(shí)屬于聲發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域和材料智能表征領(lǐng)域，該方法包括搭載聲發(fā)射儀的疲勞試驗(yàn)與疲勞損傷無損檢測分析兩部分，搭載聲發(fā)射儀的疲勞試驗(yàn)包括材料試樣疲勞加載、搭載聲發(fā)射系統(tǒng)和聲發(fā)射信號(hào)采集，疲勞損傷無損檢測分析包括對(duì)疲勞過程聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行特征提取、損傷識(shí)別和安全預(yù)警。該方法將聲發(fā)射技術(shù)與傳統(tǒng)疲勞試驗(yàn)相結(jié)合，利用模式識(shí)別、統(tǒng)計(jì)分析等方法，確定金屬材料疲勞過程中聲發(fā)射信號(hào)的特征并做出損傷識(shí)別與安全預(yù)警，為金屬材料疲勞損傷的無損檢測分析提供研究方法，具有廣泛推廣應(yīng)用價(jià)值。
【IPC分類】G01N29-14
【公開號(hào)】CN104634879
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510059474
【發(fā)明人】張衛(wèi)冬, 艾軼博, 孫暢, 呂濤, 張習(xí)文
【申請(qǐng)人】北京科技大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2015年2月4日