CN102890121A - 基于功率谱重心的az31镁合金疲劳损伤状态表征与定量评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率谱重心的AZ31镁合金疲劳损伤状态表征与定量评估系统，该系统的原始波形信号提取单元（1）对多路传感信息S_n进行模数转换后输出声发射波形信息f_O(T)；疲劳损伤状态矩阵分析单元（2）处理输出疲劳损伤状态矩阵K＝[A，F_PSC]给疲劳损伤等级评定单元（3）和预警单元（4）进行评定和报警。本发明通过声发射技术对在役AZ31镁合金结构件进行监测，得到声发射信号表示的疲劳损伤状态信息，并采用功率谱重心法对其疲劳损伤状态进行定量评估，并评定疲劳损伤等级。应用本发明能够对AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态进行直观、定量、实时的评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。

Description

基于功率谱重心的AZ31镁合金疲劳损伤状态表征与定量评估系统

技术领域

本发明涉及一种疲劳损伤状态的分析方法，更特别地说，是指一种采用声发射技术以及功率谱重心法，对AZ31镁合金的疲劳损伤状态进行表征及定量评估的系统。 

背景技术

近年来，镁合金产品产量在全球的年增长率高达20％，成为备受关注的材料。镁合金在交通工具、电子和通讯产品、航空航天、化工和机械等工业领域显示出了极大的应用前景。AZ31镁合金，是指含Al3%(wt%)、Zn1%(wt%)的镁合金，是目前商业化应用最广泛的变形镁合金。AZ31镁合金可以挤压成棒材、管材、型材，可以轧制成薄板、厚板，也可以加工成锻件，主要应用于汽车、航空航天部件、兵器等方面。 

AZ31镁合金在服役后损伤是造成其失效的主要原因之一，为此要对其损伤状态作出定量评估，及时、正确地评价AZ31镁合金件的损伤等级，为其安全运行及寿命预测提供依据。 

声发射技术（Acoustic Emission Technique）因具有动态、实时检测等优点，已广泛的应用于结构和构件的损伤检测。实践表明，材料在受载荷作用时会发生不同程度的损伤，而损伤状态的变化会导致声发射波形信号特征发生一系列变化。例如在疲劳裂纹的扩展模式发生变化时，，这些损伤状态转变都将引起声发射波形信号幅度、相位、频率的变化；因此可以利用声发射技术作为监测AZ31镁合金承力件疲劳损伤状态的工具。 

功率谱重心法是对时域信号利用傅里叶变换的方法对振动的信号进行分解，并按频率顺序展开，使其成为频率的函数，将信号在时间域中的波形转变为频率域的功率谱，进而在频率域中对信号进行研究和处理的一种方法。功率谱重心分析通过功率谱得到信号的特征频率，定量衡量信号的重心频率，从而对不断接收到的信号进行信号频率的监测和估计。以声发射波形信号数据为基础的功率谱重心方法可获得信号的重心频率，因此可以将功率谱重心法应用于疲劳损伤状态的声发射信号处理中，从而得到疲劳损伤状态的定量表征与评估。 

AZ31镁合金具有密排六方的晶体结构，变形的机制有机械孪生和滑移两种机制。变形机制不同，其声发射信号的特征频率不同；变形不同阶段两种机制的作用比例是不断变化的，其复合声发射信号含有两种频率的特征，但可以通过对重心频率的计算来衡量两种机制的对变形的不 同贡献，并以此判定疲劳损伤的阶段。 

发明内容

为了减少AZ31镁合金构件在使用过程中疲劳损伤导致的突然断裂造成的损失，本发明提出一种采用声发射技术对在役AZ31镁合金结构件进行监测，得到声发射波形信号表示的疲劳损伤状态信息，并采用功率谱重心方法对其疲劳损伤状态进行定量评估。应用本发明的监测结果能够对AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态进行定量的评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。 

本发明的基于功率谱重心的在役AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，该系统由原始波形信号提取单元（1）、疲劳损伤状态矩阵分析单元（2）、疲劳损伤等级评定单元（3）和预警单元（4）组成； 

其中，疲劳损伤状态矩阵分析单元（2）由疲劳损伤状态幅值分析模块（21）和疲劳损伤状态功率谱分析模块（22）组成；所述的疲劳损伤状态功率谱分析模块（22）由疲劳损伤信号时频转换模块（22A）和疲劳损伤信号功率谱重心计算模块（22B）组成； 

原始波形信号提取单元（1）对接收的多路传感信息S_n进行模数转换后输出声发射波形信息f₀(T)； 

疲劳损伤状态幅值分析模块（21）依据电压幅值关系A＝20logV_max-40对声发射波形信息f₀(T)进行处理，得到疲劳损伤状态信号幅值A；疲劳损伤信号时频转换模块（22A）采用傅里叶变换对声发射波形信息f₀(T)进行处理，得到频谱估计的功率谱信息ω(F)；疲劳损伤信号功率谱重心计算模块（22B）对接收到的功率谱信息ω(F)依据功率谱重心关系 

进行处理，得到疲劳损伤信号功率谱重心F_PSC；由疲劳损伤信号幅值A和疲劳损伤信号功率谱重心F_PSC共同构成了反映AZ31结构件疲劳损伤状态的疲劳损伤状态矩阵K＝[A，F_PSC]，然后将疲劳损伤状态矩阵K＝[A，F_PSC]传递给疲劳损伤等级评定单元（3）； 

疲劳损伤等级评定单元（3）对K＝[A，F_PSC]进行疲劳损伤状态评定； 

预警单元（4）接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音。 

本发明基于功率谱重心分析法对AZ31镁合金疲劳损伤状态进行评估的系统优点在于：  

（A）本发明使用功率谱重心分析方法，将声发射波形信息定量化，得到了反映AZ31结构件的疲劳损伤状态的定量参数。 

（B）本发明结合声发射信号幅值与功率谱重心方法，提出了AZ31镁合金的疲劳损伤状态矩阵，疲劳损伤状态矩阵通过疲劳损伤声发射信 号幅值和疲劳损伤信号功率谱重心重心两个参量共同对疲劳损伤状态进行评估，使得评定结果精确可靠，大大减小了错误的概率。 

（C）对疲劳损伤下的AZ31镁合金承力件进行了疲劳损伤等级的划分和鉴定。可以简单易行地对未知疲劳损伤状态的AZ31镁合金结构件做出疲劳损伤状态、疲劳损伤程度的评价。 

（D）使用本发明可以对工况下的AZ31镁合金结构件的疲劳损伤进行实时监测，出现危险情况时可及时预警，因此可以大大减少人员财产的损失，保证安全以及经济效益。 

附图说明

图1是声发射仪与多个传感器连接的简示图。 

图2是声发射仪中存储有AZ31镁合金疲劳损伤状态定量评估系统的结构框图。 

图2A是本发明疲劳损伤状态矩阵分析单元结构框图。 

图3是声发射波形信息示意图。 

图4是本发明的功率谱图。 

1.原始波形信号提取单元	2.疲劳损伤状态矩阵分析单元
		21.疲劳损伤状态幅值分析模块	22.疲劳损伤状态功率谱分析模块
22A.疲劳损伤信号时频转换模块	22B.疲劳损伤信号功率谱重心计算模块
		3.疲劳损伤等级评定单元	4.预警单元

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。 

本发明通过在大型岸边起重机械的承力件上布置多个声发射传感器，并且多个声发射传感器的输出端分别与声发射仪连接。该声发射仪对接收到的多路传感信息应用本发明的AZ31镁合金疲劳损伤状态定量评估系统进行处理，从而对被测对象（大型岸边起重机械的承力件）的疲劳损伤状态进行定量评估。参见图1所示，一个声发射仪分别与声发射传感器A、声发射传感器B、声发射传感器C、……、声发射传感器N连接，通过多个声发射传感器实现对被测对象的多路声信息S_n的采集。多路声信息S_n中n表示声发射传感器的标识。 

所述的声发射传感器选取PAC公司生产的R15传感器。其共振频率为150kHz。 

所述的声发射仪选取PAC公司生产的全数字式声发射系统。该声发射系统包括有主机系统和DiSP系统，本发明的AZ31镁合金疲劳损伤状态定量评估系统存储在主机系统的存储器中。该DiSP系统中的每通道具有高达2MHz的信号采样率。 

参见图2、图2A所示，为了减少大型岸边起重机械在使用过程中，由于各种疲劳损伤导致的AZ31镁合金结构件突然断裂造成的损失，本发明采用频谱分析法对在役AZ31镁合金结构件进行疲劳损伤状态进行定量 评估。本发明的AZ31镁合金件疲劳损伤状态定量评估系统包括有原始波形信号提取单元1、疲劳损伤状态矩阵分析单元2、疲劳损伤等级评定单元3以及预警单元4。 

在本发明中，疲劳损伤状态表征与定量评估系统采用Matlab语言（版本7.0）开发，运行在声发射仪的处理器中。本发明采用数字化的技术手段对在役AZ31镁合金结构件进行疲劳损伤状态的定量评估，从而实现对大型岸边起重机械危险情况的提前预警。 

下面分别对本发明疲劳损伤状态表征与定量评估系统中的各个单元采用的技术手段、实现的功能进行详细说明： 

（一）原始波形信号提取单元1 

在本发明中，原始波形信号提取单元1第一方面用于接收多个声发射换能器（也称传感器）分别输出的疲劳损伤状态的传感信息S_n，第二方面对接收到的多路传感信息S_n进行模数转换后，提取出每种损伤状态下的声发射波形信息f_O(T)，第三方面将声发射波形信息f_O(T)输出给疲劳损伤状态矩阵分析单元2。在本发明中，多路声信息S_n表征为一个电压信号输出给原始波形信号提取单元1进行相关的处理。所述声发射波形信息f_O(T)包括有声发射信号幅值( 

A_max)和声发射能量( 

E_max)。 

所述的声发射波形信息f_O(T)中包含有声发射信号波形中的幅值、频率、相位等诸多信息，声发射波形信息的具体形式如图3所示。图中所示为每0.0000005秒记录一个传感器输出的电压数据点，然后绘成这个波形图。对于多路传感器接到的声音振动转化为电压信号，不能定量的看出不同的振动声源有什么区别，因此本发明采用双谱分析法来对信号源进行量化表征。 

在原始波形信号提取单元1对多路传感信息S_n进行提取获得每种疲劳损伤状态下的声发射波形信息f_O(T)所依据的关系为  $A\∈(\frac{A_{\min }+A_{\max }}{2},A_{\max })\∪E\∈(\frac{E_{\min }+E_{\max }}{2},E_{\max }),$ 式中，A表示传感信息S_n的声发射幅值参数，A_min表示传感信息S_n的声发射幅值参数中的最小值，A_max表示传感信息S_n的声发射幅值参数中的最大值，E表示传感信息S_n的声发射能量参数，E_min表示传感信息S_n的声发射能量参数中的最小值，E_max表示传感信息S_n的声发射能量参数中的最大值。 

（二）疲劳损伤状态矩阵分析单元2 

在本发明中，疲劳损伤状态矩阵分析单元（2）由疲劳损伤状态幅值分析模块21和疲劳损伤状态功率谱分析模块22组成； 

其中疲劳损伤状态功率谱分析模块22由疲劳损伤信号时频转换模块 22A和疲劳损伤信号功率谱重心计算模块22B组成； 

疲劳损伤状态幅值分析模块21依据电压幅值关系A＝20logV_max-40对声发射波形信息f_O(T)进行处理，得到疲劳损伤状态信号幅值A（单位dB）；V_max表示声发射波形信息f_O(T)中的电压最大值（mV），40的单位dB。 

疲劳损伤信号时频转换模块22A采用傅里叶变换对声发射波形信息f_O(T)进行处理，得到频谱估计的功率谱信息ω(F)；该功率谱信息ω(F)采用坐标表示为如图4所示，坐标纵轴是归一化能量值ω，横轴是频率F，单位（kHz）。从图4中可以看出对信号通过数学化的傅里叶变换转化为频域，能够定量分析出不同频率区域采集到的声发射振动源的区别。 

疲劳损伤信号功率谱重心计算模块22B对接收到的功率谱信息ω(F)依据功率谱重心关系 进行处理，得到疲劳损伤信号功率谱重心F_PSC；功率谱的重心频率作为疲劳损伤状态频率重心，单位为kHz。f_l表示功率谱范围的最小频率，f₂表示功率谱范围的最大频率，F表示频率， 

表示功率谱信息与频率的乘积对频率进行积分， 

表示功率谱信息对频率进行积分。 

在本发明中，由疲劳损伤信号幅值A和疲劳损伤信号功率谱重心F_PSC共同构成了反映AZ31结构件疲劳损伤状态的疲劳损伤状态矩阵K＝[A,F_PSC]，然后将疲劳损伤状态矩阵K＝[A,F_PSC]传递给疲劳损伤等级评定单元3。 

（三）疲劳损伤等级评定单元3 

在本发明中，该疲劳损伤等级评定单元3根据接收到的疲劳损伤状态矩阵K＝[A,F_PSC]，并对其做出评定：根据疲劳损伤状态的危害程度大小不同将疲劳损伤状态分为数个等级，当疲劳损伤状态矩阵K＝[A,F_PSC]中A∈A_i、F_PSC∈F_i，则评定为疲劳损伤等级C(K)＝i。 

其中，C(K)为疲劳损伤等级信息，i为疲劳损伤等级，即该疲劳损伤状态的疲劳损伤等级为第i级； 

Ai是第i级疲劳损伤的特定疲劳损伤状态信号幅值，即疲劳损伤等级C(K)＝i时，有A∈A_i； 

F_i是第i级疲劳损伤的特定疲劳损伤状态功率谱重心频率，即疲劳损伤等级C(K)＝i时，有F_PSC∈F_i； 

当疲劳损伤状态矩阵K＝[A,F_PSC]不满足等级评定条件A∈A_i、F_PSC∈F_i 时，做为野值加以剔除。 

该疲劳损伤等级信息C(K)作为预警信息来启动预警单元4进行预警。 

AZ31镁合金结构件的疲劳疲劳损伤状态的疲劳损伤等级划分标准示例可参见表1所示，该表1中的所有信息存储在声发射仪的主机中。 

表1疲劳损伤等级划分标准示例 

（四）预警单元4 

该预警单元4采用如喇叭、扩音器等形式的提示音报警输出。 

在本发明中，预警单元4接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音。该提示音可以是如喇叭、扩音器等发出的如音乐声。 

实施例1：对某汽车轮毂进行声发射检测 

轮毂所用的AZ31镁合金成分见表2： 

表2AZ31镁合金成分含量 

检测用设备有：（A）6个R15型声发射传感器，响应频率100～400kHz，中心频率150kHz。 

（B）声发射仪为美国PAC公司全数字式16通道DiSP声发射系统。声发射仪检测时的门槛值30dB，声发射峰值定义时间PDT为300μs，声发射撞击限定时间HDT为600μs，声发射撞击闭锁时间HLT为1000μs。 

在AZ31镁合金的轮毂拉伸静载荷过程中，首先对声发射波形信息进行收集，并通过本发明对疲劳损伤状态作出评价。随机抽取的部分AZ31镁合金疲劳损伤状态定量评估结果见表3。 

表3部分AZ31镁合金轮毂疲劳损伤状态定量评估结果 

从表3的评估结果可以看出所选声发射波形信息的疲劳损伤状态矩阵中，疲劳损伤信号幅值<60dB，疲劳损伤信号频率重心<170kHz，疲劳损伤等级为1，处于疲劳裂纹稳定扩展阶段。说明轮毂存在疲劳裂纹，虽然疲劳损伤程度还较小，但仍需要重视和进行不定期的检查。本发明建立了基于频谱分析对AZ31结构件进行疲劳损伤状态定量评估的系统，通过声发射技术对在役AZ31结构件进行监测，得到声发射信号表示的疲劳损伤状态信息，并采用频谱分析方法对其疲劳损伤状态进行定量评估，并评定疲劳损伤等级。应用本发明能够对AZ31结构件疲劳损伤状态进行直观、定量、实时的评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。 

Claims (2)

1.一种基于功率谱重心的在役AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于：该系统由原始波形信号提取单元（1）、疲劳损伤状态矩阵分析单元（2）、疲劳损伤等级评定单元（3）和预警单元（4）组成；

其中，疲劳损伤状态矩阵分析单元（2）由疲劳损伤状态幅值分析模块（21）和疲劳损伤状态功率谱分析模块（22）组成；所述的疲劳损伤状态功率谱分析模块（22）由疲劳损伤信号时频转换模块（22A）和疲劳损伤信号功率谱重心计算模块（22B）组成；

原始波形信号提取单元（1）对接收的多路传感信息S_n进行模数转换后输出声发射波形信息f_O(T)；

疲劳损伤状态幅值分析模块（21）依据电压幅值关系A＝20logV_max-40对声发射波形信息f_O(T)进行处理，得到疲劳损伤状态信号幅值A；疲劳损伤信号时频转换模块（22A）采用傅里叶变换对声发射波形信息f_O(T)进行处理，得到频谱估计的功率谱信息ω(F)；疲劳损伤信号功率谱重心计算模块（22B）对接收到的功率谱信息ω(F)依据功率谱重心关系

进行处理，得到疲劳损伤信号功率谱重心F_PSC；由疲劳损伤信号幅值A和疲劳损伤信号功率谱重心F_PSC共同构成了反映AZ31结构件疲劳损伤状态的疲劳损伤状态矩阵K＝[A，F_PSC]，然后将疲劳损伤状态矩阵K＝[A，F_PSC]传递给疲劳损伤等级评定单元（3）；

疲劳损伤等级评定单元（3）对K＝[A，F_PSC]进行疲劳损伤状态评定；

预警单元（4）接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音。

2.根据权利要求1所述的基于功率谱重心的在役AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于：疲劳损伤状态矩阵K＝[A,F_PSC]中A∈A_i、F_PSC∈F_i，则评定为疲劳损伤等级C(K)＝i；

其中，C(K)为疲劳损伤等级信息，i为疲劳损伤等级，即该疲劳损伤状态的疲劳损伤等级为第i级；

A_i是第i级疲劳损伤的特定疲劳损伤状态信号幅值，即疲劳损伤等级C(K)＝i时，有A∈A_i；

F_i是第i级疲劳损伤的特定疲劳损伤状态功率谱重心频率，即疲劳损伤等级C(K)＝i时，有F_PSC∈F_i；

当疲劳损伤状态矩阵K＝[A,F_PSC]不满足等级评定条件A∈A_i、F_PSC∈F_i时，做为野值加以剔除。

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