[發(fā)明專利]一種檢測金屬材料疲勞狀態(tài)的方法和系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210333024.X
• 申請日: 2012-09-10
• 公開（公告）號: CN102854252A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃杰;畢路拯;石鵬飛
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G01N29/14
• 分類號: G01N29/14
• 代理公司: 北京瑞恒信達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11382
• 代理人: 苗青盛;黃慶芳

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展，是零部件失效的重要機制。

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1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1、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行疲勞狀態(tài)監(jiān)測和進行疲勞壽命預(yù)測，應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，機械結(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。

附圖說明

圖1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。