CN103558102A - 基于Volterra级数的旧机械零件内部损伤检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于Volterra级数的旧机械零件内部损伤检测方法，包括以下步骤：在自由边界支承下对待检测旧零件用脉冲力锤进行脉冲激励；根据输入检测信号以及相应的响应信号辨识出系统的Volterra非线性模型，并给出系统的非线性输出频率响应函数估算式；由低3阶非线性输出频率响应函数构建敏感指标函数，根据实验测试数据估算敏感指标函数的实测值；通过系列试验检验敏感指标函数对旧零件内部损伤检测的灵敏度，重构敏感指标函数，优选更适应的敏感指标函数；根据由实测信号数据得到的非线性特征敏感指标函数值，对旧零件内部缺陷进行评估，建立旧零件再制造的分类准则。适用于对批量旧零件的方便、快捷、准确地检测。

Description

基于Volterra级数的旧机械零件内部损伤检测方法

技术领域

本发明涉及一种机械制造再制造工程中旧机械零件内部损伤的检测方法，特别涉及基于Volterra级数的旧机械零件内部损伤检测方法，适用于对批量旧零件的方便、快捷、准确地检测。

背景技术

再制造是一项战略性新兴产业，再制造技术的提高可保证产品质量和性能不低于新品，甚至还超过新品，但成本只是新品的50%，节能60%，节材70%，对环境的不良影响显著降低。要推进制造业的节能减排，必须大力发展再制造工程。再制造工程中，对废旧零件进行评估后再制造是最节能、节材、环保的方式。

机械零件在其服役过程中经受的疲劳、蠕变、磨损、腐蚀、热损伤等累积，可能外观和内部都存在损伤缺陷（如微裂纹），外观损伤容易发现和处理，而内部损伤缺陷则静静地隐藏其中、不易发现，但决定其再用寿命。如何将这些内部损伤或缺陷（如微裂纹）检测出来，将是再制造的关键和保障。

为了确保再制造的质量，必须对每一件再制造的旧零件进行检测，很显然，繁杂的、费用高的检测方法是不适用的，必须寻找一种方便、高效、低成本的检测评估方法。

传统的损伤检测方法,如超声波、涡流、光与热方法、磁场法、引导声波技术包括 Lamb 波等,通常都只能检测零件结构表面及其附近的损伤，且工作量大、耗费高。对旧零部件寿命预估的研究，十分活跃，发展了多种方法。如电阻检测、磁记忆检测、热像分析法等，都有一定效果，但其试验过程复杂、费用比较昂贵，寿命预测精度和实际寿命有较大差距；利用有限元模拟计算预测寿命，能够在一定程度上解决试验周期长、耗费巨大的问题，但预测精度依赖于对服役条件了解的准确程度。显然，这些方法不能满足再制造工程中对每一件旧零件进行检测的大批量作业。

由于机械结构及其零部件振动的模态参数(比如固有频率、振型和模态阻尼)是其物理参数(如质量，刚度和阻尼)的函数，因此物理参数的变化必然导致振动模态参数的变化。通过测试振动模态（如固有频率、固有振型和模态阻尼）的改变来分析内部损伤，采用振型模态的导数可延伸出其它分析技术，如曲率模态、应变模态等，这些方法的优点是能反映出损伤的位置信息。缺点是，固有频率变化对损伤的灵敏度不高，小损伤甚至不会引起低阶频率发生明显的改变；发生损伤时，模态不满足正交条件；发生微小的损伤(比如小于5%)时，刚度和柔度都没明显变化；需要非常密集测点等。不能满足旧零件的内部损伤检测的要求。

断裂力学理论与声发射检测相结合的方法，主要是对设备零部件在役过程中产生声发射进行监测，建立其与应力强度因子、疲劳裂纹萌生和扩展等因素的关系，并由累积声发射振铃计数与时间关系曲线检测疲劳累积损伤及评估寿命。这不适用于拆卸下来、不再承受载荷的旧零件的损伤检测。

近年，许多学者提出了利用非线性振动方法来进行损伤检测。例如，Tsyfanskii（Tsyfanskii S.L., Magone M.A., Ozhiganov V.M., Using nonlinear effects to detect cracks in the rod elements of structures[J], The Soviet Journal of Nondestructive Testing, 1998,21: 224-229.）研究棒的振动响应时发现棒的非线性因素对裂纹(非常小的裂纹)的存在非常敏感，Bovsunovsky和Surce证实了这一点，并且指出非线性因素对裂纹的存在比固有频率或模态振型敏感（Bovsunovsky A.P.,Surace C., Considerations regarding super harmonic vibrations of a cracked beam and the variation in damping caused by the presence of the crack[J]. Journal of Sound and Vibration, 2005, 288(4-5):865-886.）。Tsyfanskii提出了一种用于检测非线性弹性梁疲劳裂纹的新方法，该方法后来被用于检测机翼是否存在裂纹。另外，为了更好地利用系统的非线性特征来对结构进行损伤检测，研究人员还采用了现代的信号处理方法例如小波变换方法、高阶谱方法来检测裂纹是否存在，发现双谱分析结果对频率混叠比较敏感，而且对于噪声的存在具有鲁棒性，而频率混叠是由结构中的裂纹产生，所以可以用双谱分析来检测梁中是否有裂纹存在。可见，采用非线性分析方法以及新的信号处理方法对损伤检测具有重要的意义（Guan D.Q.,Zhong X.L.,Ying H.W. ,Research on Sheet Crack Identification of Frame Structure Using Wavelet Analysis[J]. Applied Mechanics and Materials, 2011, 71:4074-4077.

Liu L., Dong D.S., Structural Crack Detection Using Hilbert-Huang Transform Method and Wavelet Analysis[J]. Applied Mechanics and Materials, 2012, 105:710-713.）。

Volterra级数具有时域和频域两种表示形式,有明确的物理意义，不依赖于系统的输入，因而完全反映了系统的本质特性，是一种十分有效的非线性模型，很多非线性系统都可以用该级数模型表示（胡海岩,孟庆国,张伟 等. 动力学、振动与控制学科未来的发展趋势[J]. 力学进展.2002, 32:294-306.）。

综上所述,还没有见到采用Volterra模型检测再制造中旧零件损伤缺陷的研究报道,但已有的研究与实践，为我们建立基于Volterra非线性模型的旧零件内部损伤检测的方便、快捷和准确的方法提供了理论和实践基础。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种把经过外部探伤设备检测后无外部裂纹、无外部损伤的旧零件内部可能存在的损伤缺陷检测出来，并对其评估分类，只让评估合格的旧零件进入下一步再制造，提高再制造质量和效益的基于Volterra级数的旧机械零件内部损伤检测方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：把旧零件置于自由边界条件下，用脉冲力锤锤击旧零件，并通过分别布置于旧零件不同位置的振动传感器检测旧零件对锤击的响应信号，基于Volterra非线性模型建立测试信号的分析方法，构建对旧零件损伤最敏感的指标函数，实现对旧零件内部损伤方便、快捷和准确地检测。基于Volterra级数的旧机械零件内部损伤检测方法具体步骤包括：

第一步：在自由边界支承下对待检测旧零件用脉冲力锤进行脉冲激励。

第二步：根据输入检测信号以及相应的响应信号辨识出系统的Volterra非线性模型，并给出系统的非线性输出频率响应函数估算式。

第三步：由低3阶非线性输出频率响应函数构建敏感指标函数，根据实验测试数据估算敏感指标函数的实测值。

第四步：通过系列试验检验敏感指标函数对旧零件内部损伤检测的灵敏度，重构敏感指标函数，优选更适应的敏感指标函数。

第五步：根据由实测信号数据得到的非线性特征敏感指标函数值，对旧零件内部缺陷进行评估，建立旧零件再制造的分类准则，把旧零件分成再制造新零件、用于维修配件、材料回收等三类。

上述操作步骤中还应包括脉冲锤击试验、试件和典型旧零件的疲劳试验，分述如下：

脉冲锤击试验：对模拟零件和旧零件采用自由边界无约束弹性支承，用脉冲力锤激励使其达到共振或临界共振，即使其振动响应达到最大，在其上优选多个测量点布置加速度传感器，拾取其在脉冲激励下的输出响应。将对一批处于疲劳成核、微裂纹形成、宏观裂纹扩展、最后断裂四个阶段旧零件试件（可预置裂纹）分别进行脉冲锤击试验。通过该试验，研究旧零件的自由边界无约束弹性支承方式、激励位置及激励强度优选、振动响应测试传感器及测点优选等，包括锤击阻抗头及振动传感器校正、信号预处理的低通滤波、模拟旧零件内部损伤缺陷的预置及其锤击试验、旧零件的固有频率及振型分析等。为旧零件内部损伤缺陷检测的锤击试验制订规范试验方法，并为后续研究提供试验测试信号及必要对比分析数据。

标准试件疲劳试验：采用标准三点弯曲试样加载过程声发射监测实验,结合断口扫描电镜观察及X射线能谱分析,考察旧零件的典型材料（如45号钢）延性断裂的整个物理过程,分析在疲劳成核、微裂纹形成、宏观裂纹扩展、最后断裂四个阶段的声发射特征，结合断裂力学对四个阶段的机理进行分析。通过试件疲劳试验，获得在四个阶段的模拟零件试件，为脉冲锤击试验提供模拟零件。

典型旧零件（如曲轴）的疲劳试验：采用曲轴疲劳试验机对经过脉冲锤击试验进行过内部损伤非线性检测后的旧曲轴进行疲劳试验，获得旧曲轴实际的疲劳寿命，建立和完善非线性指标函数值与疲劳寿命的关系，采用置信区间检验方法确定再用分类的阀值。

与现有技术相比，本发明的优点有：

1、方法新颖，高效快捷。由于本发明是利用脉冲力锤激励、各种计算估计方法已编制成便捷的计算软件直接计算，相对于现有的扫描类探伤方法有新颖性，而且安装好传感器进行锤击测试后即可计算出结果，得到评估分类的结论，具有高效快捷的优点。

2、检测全面，质量可靠。由于本发明是对旧零件在自由边界无约束弹性支承下用脉冲力锤激励使其达到共振或临界共振，并优选多个测量点布置加速度传感器拾取其在脉冲激励下的输出响应，相对于现有的扫描类检测方法是不会有检测不到位的情况，可实现全面检测；测试信号是反应旧零件机械力学性能的变化，是直接对其机械力学性能的检测，因而检测质量更可靠。

3、操作简单，成本较低。本发明针对某具体的旧零件检测，在进行脉冲锤击试验、试件和旧零件的疲劳试验后即可建立试验规范，按试验规范就可以批量地实现对旧零件进行检测。检测操作，相对简单，检测成本较低，可以实现对大批量的旧零件进行逐个的全面检测。

附图说明

图1本发明的实施技术路线示意图。

具体实施方式

为了更加详细的介绍本发明，下面结合附图对本发明做进一步说明。

按图1所示的技术路线实施本发明。主要技术路线是：针对具体的旧零件，首先，通过疲劳试验获得处于疲劳成核、微裂纹形成、宏观裂纹扩展、最后断裂四个阶段的试件作为模拟零件，进行锤击试验获得含有内部损伤信息的测试信号；基于Volterra级数模型建立信号检测与分析方法，对测试信号进行分析，构建对内部损伤敏感的指标函数，根据试验测试信号分析结果，优化指标函数，实现对内部损伤的检测；把经过检测的试件再进行疲劳试验，获得其剩余寿命，建立对内部损伤敏感的指标函数值与剩余寿命的关系，建立再用分类的评估方法。具体说明如下：

（1）试验研究包括脉冲锤击试验、试件和典型旧零件的疲劳试验。

脉冲锤击试验：对模拟零件和旧零件采用自由边界无约束弹性支承，用脉冲力锤激励使其达到共振或临界共振，即使其振动响应达到最大，在其上优选多个测量点布置加速度传感器，拾取其在脉冲激励下的输出响应。将对一批处于疲劳成核、微裂纹形成、宏观裂纹扩展、最后断裂四个阶段旧零件（如旧曲轴，可预置裂纹）分别进行脉冲锤击试验。通过该试验，研究旧零件的自由边界无约束弹性支承方式、激励位置及激励强度优选、振动响应测试传感器及测点优选等，包括锤击阻抗头及振动传感器校正、信号预处理的低通滤波、模拟旧零件内部损伤缺陷的预置及其锤击试验、旧零件的固有频率及振型分析等。为旧零件内部损伤缺陷检测的锤击试验制订规范试验方法，并为后续研究提供试验测试信号及必要对比分析数据。

标准试件疲劳试验：采用标准三点弯曲试样加载过程声发射监测实验,结合断口扫描电镜观察及X射线能谱分析,考察旧零件典型材料（如45号钢）延性断裂的整个物理过程,分析在疲劳成核、微裂纹形成、宏观裂纹扩展、最后断裂四个阶段的声发射特征，结合断裂力学对四个阶段的机理进行分析。通过试件疲劳试验，获得在四个阶段的模拟零件试件，为脉冲锤击试验提供模拟零件。

典型旧零件（如曲轴）的疲劳试验：采用曲轴疲劳试验机对经过脉冲锤击试验进行过内部损伤非线性检测后的旧曲轴进行疲劳试验，获得旧曲轴实际的疲劳寿命，建立和完善非线性指标函数值与疲劳寿命的关系，采用置信区间检验方法确定再用分类的阀值。

（2）基于Volterra级数的脉冲锤击响应信号的非线性检测模型构建。

针对旧零件内部损伤的弱非线性，我们选择3阶Volterra级数作为分析模型，推导出脉冲激励下单输入多输出系统的广义频率响应函数和非线性输出频响函数及其估算方法。

利用试验的输入、输出数据辨识出模型之后，验证该辨识的模型是否能够有效地表示其动力特性显得尤为重要。我们拟采用基于互相关函数与自相关函数的模型有效性验证方法来验证辨识得到模型的有效性。

（3）基于Volterra级数的旧零件内部损伤非线性检测方法

通过实验测试数据的广义频率响应函数和非线性输出频率响应函数的分析研究，探索其对旧零件在疲劳成核、微裂纹形成、宏观裂纹扩展、最后断裂等不同状态的非线性检测，及对典型旧零件裂纹的非线性检测，计算得到的非线性输出频率响应函数值将可作为衡量裂纹大小的指标，裂纹越大、越明显，非线性输出频率响应函数的值将越大。由各阶非线性输出频率响应函数构造不同形式的对旧零件内部损伤敏感的指标函数，由测试信号计算得到的指标函数值将反应旧零件内部损伤程度。

（4）再用分类评估方法

根据基于Volterra级数的旧零件内部损伤非线性检测方法，对旧零件进行脉冲锤击试验研究，获取相关的非线性特征敏感指标函数值，然后再把旧零件进行疲劳试验，进一步研究非线性特征敏感指标函数值与旧零件的疲劳寿命相关性，建立由旧零件内部缺陷测试得到的非线性特征敏感指标函数值及其他相关因素的评估模型，探索评估旧零件可否再制造的方法，建立旧零件再制造的分类准则，正确区分出再制造新零件、用于维修配件、材料回收等三类，实现对旧零件可否再制造的分类评估。

（5）根据试验研究，建立脉冲力锤激励旧零件进行内部损伤检测的试验规范，编写对批量旧零件进行内部损伤检测的软件程序和操作指导，实现对批量旧零件的高效快捷、质量可靠、成本较低的适于生产线的检测。

实施例1

选取45号钢旧曲轴零件作为试件，第一步：通过疲劳实验设备结合断口扫描电镜观察及X射线能谱，分析试件在拉伸实验中，其疲劳成核、微裂纹形成、宏观裂纹扩展、最后断裂四个阶段的声发射特征，并结合断裂力学对四个阶段的机理进行分析，获得在四个阶段的模拟零件试件；接着用脉冲力锤激励模拟零件试件，使其达到共振或临界共振，即使其振动响应达到最大，在其上优选多个测量点布置加速度传感器，拾取其在脉冲激励下的输出响应。第二步：通过对第一步的响应信号进行整理，分析辨识出系统的Volterra非线性模型，并给出系统的非线性输出频率响应函数估算式。第三步：选择3阶Volterra级数作为分析模型，推导出脉冲激励下单输入多输出系统的广义频率响应函数和非线性输出频响函数及其估算方法，构建敏感指标函数，待利用输入、输出数据辨识出模型之后，采用基于互相关函数与自相关函数的模型有效性验证方法来验证辨识得到模型的有效性，根据实验测试数据估算敏感指标函数的实测值。第四步：选择完好的同类型45号钢新曲轴再次进行拉伸疲劳实验和脉冲力锤激励实验，收集实验数据对第二步和第三步中的函数进行重组校验，对比两组函数数据差异。第五步：对多个试件再次进行实验分析，对比各个实验数据的差异，分析零件内部损伤情况，探索评估旧零件可否再制造的方法，建立旧零件再制造的分类准则，以实验结果数据分析棒料各个阶段内部损伤的情况，正确区分出再制造新零件、用于维修配件、材料回收等三类，实现对旧零件可否再制造的分类评估。

Claims (5)

1.基于Volterra级数的旧机械零件内部损伤检测方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：在自由边界支承下对待检测旧零件用脉冲力锤进行脉冲激励；

第二步：根据输入检测信号以及相应的响应信号辨识出系统的Volterra非线性模型，并给出系统的非线性输出频率响应函数估算式；

第三步：由低3阶非线性输出频率响应函数构建敏感指标函数，根据实验测试数据估算敏感指标函数的实测值；

第四步：通过系列试验检验敏感指标函数对旧零件内部损伤检测的灵敏度，重构敏感指标函数，优选更适应的敏感指标函数；

第五步：根据由实测信号数据得到的非线性特征敏感指标函数值，对旧零件内部缺陷进行评估，建立旧零件再制造的分类准则。

2.根据权利要求1所述的基于Volterra级数的旧机械零件内部损伤检测方法，其特征在于：所述的第一步中，还包括脉冲锤击试验，所述脉冲锤击实验为对模拟零件和旧零件采用自由边界无约束弹性支承，采用脉冲力锤激励使其达到共振或临界共振，并在其上优选多个测量点布置加速度传感器，拾取其在脉冲激励下的输出响应。

3.根据权利要求1所述的基于Volterra级数的旧机械零件内部损伤检测方法，其特征在于：所述的第二步和第三步中，所述响应信号为第一步中的脉冲力锤激励输出响应信号，所述响应信号辨识出系统的Volterra非线性模型过程为先选择3阶Volterra级数作为分析模型，推导出脉冲激励下单输入多输出系统的广义频率响应函数和非线性输出频响函数及其估算方法，待利用输入、输出数据辨识出模型之后，采用基于互相关函数与自相关函数的模型有效性验证方法来验证辨识得到模型的有效性。

4.根据权利要求1所述的基于Volterra级数的旧零件内部损伤非线性检测方法，其特征在于：所述的第四步中，所述的系列实验包括脉冲锤击实验和试件疲劳实验，所述试件疲劳实验为先通过实验测试数据的广义频率响应函数和非线性输出频率响应函数的研究，探索对旧零件在疲劳成核、微裂纹形成、宏观裂纹扩展、最后断裂等不同状态的非线性检测，也包括对旧零件裂纹的非线性检测，然后由各阶非线性输出频率响应函数构造对旧零件内部损伤敏感的指标函数，由测试信号计算得到的指标函数值反应旧零件内部损伤程度。

5.根据权利要求1所述的基于Volterra级数的旧零件内部损伤非线性检测方法，其特征在于：所述的第五步中，所述对旧零件内部缺陷进行评估的过程为对旧零件再次进行脉冲锤击试验研究，获取相关的非线性特征敏感指标函数值，然后再把旧零件进行疲劳试验，进一步研究非线性特征敏感指标函数值与旧零件的疲劳寿命相关性，建立由旧零件内部缺陷测试得到的非线性特征敏感指标函数值及其他相关因素的评估模型，探索评估旧零件可否再制造的方法；所述旧零件再制造的分类准则包括正确区分出再制造新零件、用于维修配件和材料回收三大类。

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