[發明專利]使用基于聲學特征的技術來確定結構內的裂紋擴展長度的系統和方法

有效

• 申請號: 201710455102.6
• 申請日: 2017-06-16
• 公開（公告）號: CN107817300B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 黃云
• 申請（專利權）人: 利弗莫爾軟件技術公司
• 主分類號: G01N29/44
• 分類號: G01N29/44
• 代理公司: 深圳永慧知識產權代理事務所(普通合伙) 44378
• 代理人: 宋鷹武

公開了使用基于聲學特征的技術來確定裂紋擴展長度的方法和系統。經由作用于結構上的第二位置的具有預定義幅度的諧波負荷引起的結構振動而產生的聲波，在第一位置處測量和記錄聲學特征。結構內部包含未知長度的裂紋擴展。通過將測量和記錄的聲學特征與存儲在數據庫中的數值計算的聲學特征進行比較，來確定未知長度，存儲在數據庫中的數值計算的聲學特征包含數值計算的聲學特征與數值模擬的裂紋擴展軌跡的各個階段的對應裂紋擴展長度的至少一種關系。通過執行數值時間推進模擬，以獲得數值模擬的裂紋擴展軌跡，并通過執行結構的SSD分析和振動聲學分析，以獲得數值模擬的裂紋擴展軌跡的各個階段的數值計算的聲學特征，來獲得數值計算的聲學特征。

技術領域

本發明總的涉及確定結構內的裂紋擴展長度，更具體地涉及使用基于聲學特征的技術(例如，聲頻響應函數)來確定結構內的裂紋擴展長度的系統和方法。

背景技術

眾所周知，結構在循環負荷下可能產生裂紋。循環負荷的來源可能來自運輸過程中的正常操作或振動。一旦裂紋開始發展，裂紋可能由于許多可能的因素而擴展，包括但不限于，持續的操作負荷、環境和/或溫度的組合影響等。在某些極端情況下，裂紋可以擴展得如此之多而導致結構失效。因此，監測結構中裂紋的發展和擴展至關重要，以確保保持結構完整性。

隨著各種工程學科的出現，有可以協助用戶(即科學家、工程師等)執行這種困難的確定的幾種技術。例如，計算機輔助工程(CAE)已被用于在許多任務中支持工程師，特別是CAE(例如有限元方法、邊界元方法、無網格方法等)可用于在循環負荷下的結構的時間推進模擬中獲得數值模擬的結構特性(例如，裂紋擴展)。

FEA是在工業中廣泛使用以模擬(即，建模和求解)涉及復雜產品或系統(例如，汽車、飛機等)的工程問題的計算機方法，例如三維線性和/或線性結構設計與分析。FEA的名稱源于規定考慮中的對象的幾何形狀的方式。幾何形狀由單元和節點定義。有許多類型的單元，例如用于體積或連續體的固體元件，用于表面的殼或板單元，以及用于一維結構對象的梁或桁架單元。

然而，通常難以物理地確定或測量裂紋的長度，特別是當裂紋在結構內向內擴展時。

發明內容

公開了使用基于聲學特征的技術來確定裂紋擴展長度的方法和系統。根據一個示例性的方面，確定結構內的裂紋擴展的未知長度的方法包括：經由具有預定義幅度的諧波負荷引起的結構振動而產生的聲波，在第一位置處測量和記錄聲學特征，該具有預定義幅度的諧波負荷作用于結構上的第二位置。結構內部包含未知長度的裂紋擴展。通過將測量和記錄的聲學特征與存儲在數據庫中的數值計算的聲學特征進行比較，來確定未知長度，存儲在數據庫中的數值計算的聲學特征包含數值計算的聲學特征與數值模擬的裂紋擴展軌跡的各個階段的對應裂紋擴展長度的至少一種關系。通過執行數值時間推進模擬，以獲得數值模擬的裂紋擴展軌跡，并通過執行結構的穩態動態(SSD)分析和振動聲學分析，以獲得數值模擬的裂紋擴展軌跡的各個階段的數值計算的聲學特征，來獲得數值計算的聲學特征。

根據另一方面，執行數值時間推進模擬以獲得數值模擬的裂紋擴展軌跡進一步包括以下操作：在其上安裝有至少有限元分析(FEA)應用模塊和邊界單元法(BEM)應用模塊的計算機系統中，接收表示結構和已知在結構中引起裂紋擴展的負荷條件的FEA模型；并采用FEA應用模塊，通過使用基于至少一種結構裂紋預測理論的FEA模型來執行時間推進模擬，獲得在負荷條件下的結構內的數值模擬的裂紋擴展軌跡。

根據又一方面，執行結構的穩態動態(SSD)分析和振動聲學分析，以獲得數值模擬的裂紋擴展軌跡的各個階段的數值計算的聲學特征還包括以下步驟：使用FEA應用模塊的SSD分析能力，獲得受到諧波負荷的結構的結構表面節點速度分布，該諧波負荷在預定義的頻率具有預定義的幅度，且作用于結構表面上的聲音產生位置，結構由對應于數值模擬的裂紋擴展軌跡的各個階段中的每一個的FEA模型表示；且使用BEM應用模塊，使用基于振動聲學計算理論的作為振動邊界條件的結構表面節點速度分布，在聲音接收位置處獲得結構的數值計算的聲學特征。