CN106546396A - 一种针对铁磁性材料中裂纹扩展尺寸的重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种针对铁磁性材料中裂纹扩展尺寸的重构方法，该方法从磁性无损检测技术基本原理出发，利用信息熵理论同时完成裂纹几何尺寸中长度和深度两组维度信息的重构，方法简便且效率高，具有很高的工程实用价值，提高了机械设备运行的安全性和可靠性。

Description

一种针对铁磁性材料中裂纹扩展尺寸的重构方法

技术领域

本发明是一种针对铁磁性材料中裂纹扩展尺寸的重构方法，属于测量测试技术领域。

背景技术

对于承受疲劳载荷的结构，如飞机、轮船、车辆等，损伤容限设计是保证含裂纹或可能含裂纹构件的安全、提高产品可靠性的重要手段。损伤容限设计思路是：依据无损探伤技术确定出的裂纹尺寸，运用断裂力学、疲劳理论和试验验证，保证在定期检查能发现裂纹之前，结构中存在的裂纹不会扩展成为足以引起破坏的临界裂纹。在损伤容限设计理论中，对无损探伤技术的要求是实现裂纹的定量检测，即根据检测信号重构出裂纹的几何尺寸，从而为损伤容限设计提供正确的输入。

钢铁等铁磁性材料由于具有良好的综合机械性能，广泛用于大型机械零部件与结构等方面。漏磁及磁记忆等磁性无损探伤技术是检测铁磁类工件的首选方法，基于磁信号实现裂纹几何尺寸的重构，属于电磁场求逆问题，是磁性无损探伤技术的主要技术难题。

信息熵作为信息论中一个重要的概念，在工程测试和信号分析领域中常被用作进行信号或系统的不规则程度的指标：熵值越大，说明信号中的成分越复杂，反之则说明信号结构越简单。由磁性无损探伤技术的物理原理可知，裂纹的存在和扩展使材料内部的磁力线发生不同程度的畸变，畸变磁场信号包含有裂纹的特征信息，这一畸变扩散到材料的外部，混叠在正常信号中，使原有的磁场信号产生紊乱。因此利用信息熵理论可实现系统信息的不规则程度测量这一特性，对磁场信号的紊乱程度进行分析，获取稳定且高质量的裂纹特征，进而实现裂纹几何尺寸的重构。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种针对铁磁性材料中裂纹扩展尺寸的重构方法，其目的是从磁性无损检测技术基本原理出发，利用信息熵理论同时完成裂纹几何尺寸中长度和深度两组维度信息的重构，方法简便且效率高，具有很高的工程实用价值，提高了机械设备运行的安全性和可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种针对铁磁性材料中裂纹扩展尺寸的重构方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

步骤一、采用磁性无损检测方法对铁磁构件进行检测，检测时，控制磁敏传感器的提离值保持恒定，提离值的取值范围为0.5～2mm，扫描的行程为S，采集磁信号A₀，绘制行程S与磁信号A₀的关系曲线；

步骤二、对行程S内的磁信号A₀进行信息熵分析，获取磁信号在行程S内的第一组熵值E_0i，熵值为无量纲参数，熵值E的通用计算公式为：

式中，p_i表示磁信号的不确定性取值，i表示磁信号数据点的序号；n表示磁信号数据点的总数；

设定该关系曲线的标准偏差σ为临界阈值E_F，即E_F＝σ；

步骤三、当铁磁性构件在随后承受疲劳载荷后，采用步骤一、二的方法对铁磁性构件进行检测；

对行程S内的所有数据点的第二组熵值E_1i和第一组熵值E_0i进行逐点对应求差：

如果某点处差值大于等于故障阈值E_F，侧认为该点处的裂纹萌生并扩展；

如果某点处差值小于故障阈值E_F，侧认为该点处的未萌生裂纹；

步骤四、计算所有裂纹萌生并扩展点的集合长度M；

步骤五、重构裂纹的几何尺寸

裂纹的几何尺寸可解构为表面长度L和深度D_i两组参量，根据步骤四的计算集合长度M，定义裂纹的表面长度L等于M，深度D_i的计算公式为：

D_i＝Y×(E_1i-E_0i)

式中，折算系数Y是指熵值与裂纹几何尺寸进行换算的比例系数，折算系数Y采用当量试验法或理论分析获得。

本发明与现有技术相比，优点是可以有效剔除背景噪声，保留了裂纹尺寸的关键特征信息，保证裂纹尺寸的重构结果具有更好的完整性和准确性。

附图说明

图1为不同循环周次下裂纹信号小波能量熵值差的关系曲线

图2为熵值与工件材料几何尺寸折算系数曲线

具体实施方式

下面结合附图及实施例详细说明本发明内容。

承受疲劳载荷的某型铁磁性工件，材料为高强度合金钢。该工件在承受250000周次的疲劳载荷的过程中萌生裂纹并发生扩展，现利用本发明计算进行裂纹尺寸重构，过程如下：

步骤一、采用磁敏传感器采集工件磁信号的垂直分量A₀(Z)，传感器移动速度5mm/s，传感器提离值0.5mm，传感器的采样频率为1024Hz。传感器检测行程100mm，信号序列A₀(Z)包括20480个数据点；

步骤二、将信号序列A₀(Z)进行信息熵分析，获得信号A₀(Z)的第一组信息熵E_0i，信息熵E的通用表达式为：

式中，p_i表示磁信号的不确定性取值，i表示磁信号数据点的序号；n表示磁信号数据点的总数；

步骤三、工件承受50000循环周次的疲劳载荷后，重复步骤一和步骤二，分别获得信号序列A₁(Z)和第二组信息熵E_1i；

步骤四、对行程S内的所有数据点的第二组熵值E_1i和第一组熵值E_0i进行逐点对应求差，信息熵E₁相对于信息熵E₀之差W_1～0为：

其中故障阈值E_F设定为0。

步骤五、随后每承受50000循环周次的疲劳载荷后，重复步骤一和步骤二的操作，依次获得小波能量熵值之差W_2～0～W_5～0，绘制五组信号熵值的差值分布特征，如附图1所示。

步骤六、依据表1计算五组信号中熵值差值大于零的数据点的集合长度M₁～M₅，并依据附图2提供的工件材料熵值与几何尺寸的折算系数曲线，重构裂纹的几何尺寸，结果如表1所示。

表1裂纹几何尺寸

Claims (1)

1.一种针对铁磁性材料中裂纹扩展尺寸的重构方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

步骤一、采用磁性无损检测方法对铁磁构件进行检测，检测时，控制磁敏传感器的提离值保持恒定，提离值的取值范围为0.5～2mm，扫描的行程为S，采集磁信号A₀，绘制行程S与磁信号A₀的关系曲线；

步骤二、对行程S内的磁信号A₀进行信息熵分析，获取磁信号在行程S内的第一组熵值E_0i，熵值为无量纲参数，熵值E的通用计算公式为：

$E=-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{p}_i\log p_i$

式中，p_i表示磁信号的不确定性取值，i表示磁信号数据点的序号；n表示磁信号数据点的总数；

设定该关系曲线的标准偏差σ为临界阈值E_F，即E_F＝σ；

步骤三、当铁磁性构件在随后承受疲劳载荷后，采用步骤一、二的方法对铁磁性构件进行检测；

对行程S内的所有数据点的第二组熵值E_1i和第一组熵值E_0i进行逐点对应求差：

如果某点处差值大于等于故障阈值E_F，侧认为该点处的裂纹萌生并扩展；

如果某点处差值小于故障阈值E_F，侧认为该点处的未萌生裂纹；

步骤四、计算所有裂纹萌生并扩展点的集合长度M；

步骤五、重构裂纹的几何尺寸

裂纹的几何尺寸可解构为表面长度L和深度D_i两组参量，根据步骤四的计算集合长度M，定义裂纹的表面长度L等于M，深度D_i的计算公式为：

D_i＝Y×(E_1i-E_0i)

式中，折算系数Y是指熵值与裂纹几何尺寸进行换算的比例系数，折算系数Y采用当量试验法或理论分析获得。