CN107917961A - 一种在役钢承力结构件安全性的测试方法 - Google Patents

一种在役钢承力结构件安全性的测试方法 Download PDF

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Abstract

一种在役钢承力结构件安全性的测试方法，包括以下步骤：步骤1，信号采集；步骤2，信号滤噪；步骤3，数据处理，基于信号的累积幅值函数得到数据处理参数△x；步骤4，当△x>0时，启动安全评估，根据△x确定被测试的结构件在钢承力结构件安全性R‑Map图中所处的区域；步骤5，根据所述区域采取相应的降低损伤风险的措施。本发明中△x的计算方法反映了声发射源信息，而基于△x的区域确定步骤兼顾了损伤的发生频度和严重程度，考虑了钢承力结构件的安全性及临界安全性，因此，该方法可用于处理混合了多种损伤状态的声发射信号，解决了针对不同的受力情况下声发射数据进行单独分析的弊端。

Description

一种在役钢承力结构件安全性的测试方法
技术领域
本发明涉及结构健康监测技术领域，特别是一种在役钢承力结构件安全性的测试方法。
背景技术
16Mn钢(16锰钢)是结合我国资源情况发展起来的一种低合金钢，具有综合力学性能好，焊接性、冷、热加工性能和耐蚀性能优良等特点，作为关键承力结构件已被广泛应用于桥梁、起重运输机械等大型机械设备中。这些承力结构件在服役一定的时间后，时常会发生一些失效事故，而损伤是造成其失效的主要原因，为此要对其损伤状态做出有效的识别，及时、正确地测试16Mn钢承力结构件的损伤程度，为其安全运行及寿命预测提供依据，为制定其维修周期提供基础。
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，材料在受力(形变)过程中会发生一系列具有不同特征的声发射信号，也就是说钢承力结构件不同的损伤阶段，将有不同的声发射信号。
目前，在应用声发射技术对钢承力结构件的损伤程度进行检测的时候，由于承力结构件受力情况复杂，会接收到来自不同损伤(例如拉伸损伤或是疲劳损伤)的大量数据。而目前的研究大多针对不同的受力情况下(如拉伸、交变载荷等)的声发射数据进行单独分析，不能很好的反应承力结构件实际所受的载荷情况。
因此，为了真实全面的评估钢承力结构件的损伤程度，须研发出一种可以处理混合了多种钢承力结构件损伤状态的声发射信号的方法，以快速、便捷的实现对钢承力结构件的安全性及临界安全性进行判断，并依据判断结果采取相应的措施，从而提高承力结构件的安全性及使用寿命。
发明内容
一种在役钢承力结构件安全性的测试方法，包括以下步骤：
步骤1，系统构建，构建在役钢承力结构件安全性的测试系统，该系统包括信号采集单元，数据处理单元，安全评估单元，和控制响应单元。
步骤2，信号采集，信号采集单元采集在役钢承力结构件上的声发射信号，并实时地将采集到的声发射信号传送到数据处理单元；所述采集使用声发射传感器，声发射传感器的安装位置可根据结构件的受力情况自行布置。
步骤3，数据处理单元进行数据处理，包括以下处理步骤：
步骤3.1，对声发射信号进行滤噪处理，对每个传感器布置点(即每个声发射信号采集点) 对声发射数据进行滤噪处理；
步骤3.2，对钢承力结构件一段时间内的声发射幅值进行累积，得到关于幅值的累积函数；
步骤3.3，根据所述关于幅值的累积函数计算得到数据处理参数△x；
所述步骤3.3根据如下公式计算得到△x：
对所述关于幅值的累积函数进行Taylor公式展开，并截取前五项，记为：
V(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4 (1)
其中V(t)表示累积幅值，t表示累积时间，a0，a1，…，a4为展开系数，
计算△x，
步骤4，当△x>0时，启动安全评估，此时，安全评估单元根据△x确定被测试的在役钢承力结构件在钢承力结构件安全性R-Map图中所处的区域，
步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1，根据在役钢承力结构件不同损伤程度的经验数据基于△x的取值范围建立损伤的严重程度的等级，根据在役钢承力结构件不同损伤状态的经验数基于损伤发生频次的量级区间建立损伤的发生频度的等级，建立发生频度等级-严重程度等级的钢承力结构件安全性 R-Map图；
根据在役钢承力结构件不同损伤程度的经验数据基于△x的取值范围将损伤的严重程度划分为无伤、轻微、临界、严重以及致命五个程度的等级，其中，△x<0为无伤，△x＝0为轻微，0<△x<A1为临界，A1≤△x<A2为严重，△x≥A2为致命；
例如，A1＝800，A2＝1000；
根据在役钢承力结构件不同损伤状态的经验数基于损伤发生频次的量级区间将损伤的发生频度划分为频发、经常发生、偶发、不易发生、基本不可能和不予考虑五个等级；
发生频次分别为10-3以上、10-3～10-4、10-4～10-5、10-5～10-6、10-6～10-7、和10-8以下时，其发生频度的等级分别为频发、经常发生、偶发、不易发生、基本不可能和不予考虑。
步骤4.2，根据△x的计算值确定被测试的在役钢承力结构件损伤的严重程度的级别；
步骤4.3，分析△x在所确定的严重程度的级别上的发生次数，进而计算得到发生频度；
步骤4.4，根据被测试的在役钢承力结构件损伤的严重程度的级别和发生频度，确定所述被测试的结构件在钢承力结构件安全性R-Map图中所处的区域。
其中，所述步骤4.1，根据在役钢承力结构件不同损伤程度的经验数据基于△x的取值范围将损伤的严重程度划分为无伤、轻微、临界、严重以及致命五个程度的等级，其中，△x<0 为无伤，△x＝0为轻微，0<△x<A1为临界，A1≤△x<A2为严重，△x≥A2为致命。
其中，A1＝800，A2＝1000。
其中，所述步骤4.1，根据在役钢承力结构件不同损伤状态的经验数基于损伤发生频次的量级区间将损伤的发生频度划分为频发、经常发生、偶发、不易发生、基本不可能和不予考虑五个等级。
其中，发生频次分别为10-3以上、10-3～10-4、10-4～10-5、10-5～10-6、10-6～10-7、和10-8以下时，其发生频度的等级分别为频发、经常发生、偶发、不易发生、基本不可能和不予考虑。
其中，所述步骤4，是根据风险的可接受程度划分钢承力结构件安全性R-Map图的区域。
其中，根据风险的可接受程度将钢承力结构件安全性R-Map图划分为3个区域，A区、 B区和C区；A区表示不能接受的领域，相应的降低损伤风险的措施为立即停止使用被测试的钢承力结构件，进行更换、维修；B区表示合理可行的最低限度区，相应的降低损伤风险的措施为保养、检修；C区表示安全领域，不采取任何措施而继续使用被测试的结构件。
本发明的优点在于：可以依据在役的钢承力结构件的声发射信号对钢承力结构件的安全性及临界安全性(合理可行的最低限度区)进行测试，并根据判断结果采取相应的措施，在合理可行的情况下尽可能的降低其风险，从而在保证钢承力结构件长期具有较高的安全性。并且该方法可以处理混合了多种钢承力结构件损伤状态的声发射信号的方法，解决了目前针对不同的受力情况下(如拉伸、交变载荷等)声发射数据进行单独分析的弊端，可以更加真实的反应实际钢承力结构件所受载荷情况及所受损伤。
附图说明
图1为采用本发明的在役钢承力结构件安全性的测试方法的测试系统的结构框图；
图2正则尖点突变模型图；
图3对偶尖点突变模型图。
具体实施方式
如图1所示，采用本发明的在役钢承力结构件安全性的测试方法的测试系统包括信号采集单元1，数据处理单元2，风险评估单元3和控制响应单元4。
信号采集单元1采集16Mn钢承力结构件上的声发射信号，其采集使用声发射传感器，其中声发射传感器的安装位置可根据结构件的受力情况自行布置。
信号采集单元实时的将采集的数据传送到数据处理单元2，在该单元中，针对每个传感器布置点(也即每个声发射信号采集点)，首先对声发射数据进行滤噪处理，然后对16Mn钢承力结构件一段时间内的声发射幅值进行累积，得到关于幅值的一个累积函数，此处选择幅值作为16Mn钢承力结构件数据处理参数的原因在于：声发射幅值及幅值分布被认为是可以更多地反映声发射源信息的一种处理方法，而其累积结果又具有单调递增的规律。然后对累积幅值函数进行Taylor公式展开，并且截取前五项，可得：
V(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4 (1)
其中V(t)表示累积幅值，t表示累积时间，利用多元回归分析确定系数a0，a1，…，a4
计算：
风险评估单元3
步骤1，根据数据处理参数△x值设定16Mn钢承力结构件的损伤程度，按严重程度由高到低设定为五个程度：无伤、轻微、临界、严重以及致命，具体如下：
表1 危害程度
A1和A2可根据16Mn钢承力结构件是使用工况进行设定。
步骤2，设定发生频度：根据以往应用声发射技术监测16Mn钢承力结构件不同损伤状态(拉伸损伤和疲劳损伤等)所得的数据，设定16Mn钢承力结构件损伤发生频度由高到低为五个程度：频发、经常发生、偶发、不易发生、基本不可能以及不予考虑，具体如表2：
表2 发生频度
水平 定性表现 定量表现(次)
5 频发 10-3以上
4 经常发生 10-3～10-4
3 偶发 10-4～10-5
2 不易发生 10-5～10-6
1 基本不可能 10-6～10-7
0 不予考虑 10-8以下
步骤3，建立16Mn钢承力结构件安全性的R-Map图
根据步骤1和步骤2，建立16Mn钢承力结构件安全性的R-Map表(表3)；在该图中将接受程度划分为三个大区，A区、B区和C区；
表3 16Mn钢承力结构件安全性的R-Map图
其中，A区表示不能接受的领域，即16Mn钢承力结构件应立即停止使用，并采取相应措施降低其风险，提高其安全性。其包括A1，A2和A3三个区；其中A3不能接受的程度>A2不能接受的程度>A1不能接受的程度；
B区表示合理可行的最低限度区，其包括B1，B2和B3三个区；其中，B3的合理可行的最低限度区<B2的合理可行的最低限度区<B1的合理可行的最低限度区；
C区表示安全领域，即16Mn钢承力结构件是安全的。
步骤4，根据步骤1判断数据处理单元2传送来的△x值所处的危害程度和发生频度。根据步骤3判断上述结果处于16Mn钢承力结构件安全性的R-Map图中的哪个区域。并将判断出的结果送入到控制响应单元4内。
控制响应单元4根据风险评估单元3传送来的结果采取相应的措施，如果处于A区，则应采取相应的更换、维修措施；如果处于B区，可采取相应的保养、检修措施；如果处于C区，可不采取任何措施。
下面来解释为何将△x值作为16Mn钢承力结构件损伤判断参数的原因：累积幅值进行 Taylor公式展开的结果如上面所示，也即为：
V(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4 (2)
利用多元回归分析确定系数a0，a1，…，a4
令t＝z-p，式中：
可得V＝b4z4+b2z2+b1z+b0 (3)
式中：
b0＝p4a4-p3a3+p2a2-pa1+a0
b1＝-4p3a4+3p2a3-2pa2+a1
b2＝6p2a4-3pa3+a2
b4＝a4
再令：
或
代入式(1)，则有：
当b4＞0时，
式中，w＝b0对突变分析无意义，舍弃。式(4)为尖点突变的标准势函数，称为正则尖点突变，其平衡曲面M和分叉集6如图2所示。
当b4<0时，则有:
式中，w＝b0对突变分析无意义，舍弃。式(5)为对偶尖点突变的势函数的标准式，其平衡曲面M和分叉集6如图2所示。
对于b4＞0和b4<0的两种情况来说，都满足
上述突变模型的平衡曲面方程为：
①正则尖点突变：x3+ux+v＝0；
②对偶尖点突变：-x3+ux+v＝0。
如图2和3所示，平衡曲面M在(x,v,u)空间中的图形为一具有褶皱的光曲面，当点(x,v,u)经过褶皱边缘时就会产生跳跃，发生突变。因此，所有在平衡曲面上有竖直切线的点就构成了状态的分叉集方程：
①正则尖点突变：△＝4u3+27v2；
②对偶尖点突变：△＝4u3+27v2。
因此，可得16Mn钢承力结构件安全性的实时判据依据：①若△﹥0，16Mn钢承力结构件的安全处于稳定状态；②若△<0，且3x2+u<0，16Mn钢承力结构件的安全处于不稳定状态，将会发生损伤；③若△＝0，16Mn钢承力结构件安全处于临界状态。
所以，可根据分叉集方程△与0的关系，判断16Mn钢承力结构件的安全性，即系统从稳定状态转化到不稳定状态(△﹤0)时，都要经过临界状态(△＝0)，其中△＝0时，平衡曲面方程的解为：
或
所以，跨越分叉集时的状态变量发生跳跃，即16Mn钢承力结构件安全性发生转变时的突变量的变化量为
因此，可以把突变量的变化量△x作为16Mn钢承力结构件安全性的评估参数，当突变量的变化量△x﹥0时，16Mn钢承力结构件将会发生损伤。将ν中的各数值使用系数a0，a1，…， a4进行表示，可得：
本发明的优点在于：可以依据在役的16Mn钢承力结构件的声发射信号对16Mn钢承力结构件的安全性及临界安全性(合理可行的最低限度区)进行测试，并根据判断结果采取相应的措施，在合理可行的情况下尽可能的降低其风险，从而在保证16Mn钢承力结构件长期具有较高的安全性。并且该方法可以处理混合了多种16Mn钢承力结构件损伤状态的声发射信号的方法，解决了目前针对不同的受力情况下(如拉伸、交变载荷等)声发射数据进行单独分析的弊端，可以更加真实的反应实际钢承力结构件所受载荷情况及所受损伤。
以下结合具体实例来对本发明的方法步骤进行说明
对40t(吨)轨道式起重机的承力件进行声发射检测。
承力件：悬臂有效伸度:5OOOmm，检测长度3000mm。
承力件所用的16Mn钢成分如表4所示。
表4 承力件所用的16Mn钢成分
成分 C Mn Si P S Ca
质量百分比含量(％) 0.16 1.42 0.31 0.022 0.033 0.10
检测用设备有：(A)两个R15型声发射传感器(PAC公司的CZ系列，响应频率为100kHz～ 400kHz，中心频率150kHz)。
(B)两个PAC公司的2/4/6型前置放大器。
(C)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40dB，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。
针对此在役中的起重机承力件，在工作状态下应用声发射技术连续监测48h。
在役16Mn钢承力结构件安全性的测试方法步骤如下：
步骤一：应用声发射传感器采集6Mn钢承力结构件的声发射信号；
步骤二：对声发射数据进行如下滤噪处理：能量>2V·μs+能量/持续时间(E/D)<0.007V，得到在役16Mn钢承力件有效的声发射信息，然后应用数据处理单元得到数据处理参数△x。当△x>0时，启动风险评估。在整个实验过程中，经滤波处理后声发射共采集到了1978624 个有效数据，其中△x超过各阈值的情况和发生频度如表5所示(A1根据国内外数据统计设为 800和A2设为1000)。
表5 实验结果
危害程度 实验结果 发生次数 发生频度
0 16Mn钢承力结构件无损伤，即△x<0 0 0
I 16Mn钢承力结构件损伤轻微，即△x＝0 1978623 1.0
II 16Mn钢承力结构件损伤处于临界状态，即0<△x<800 1 5.1×10-6
III 16Mn钢承力结构件损伤严重，即800≤△x<1000 0 0
IV 16Mn钢承力结构件损伤的致命，即△x≥1000 0 0
依据以上结果，做出16Mn钢承力结构件安全性R-Map图，如表6所示。
表6 16Mn钢承力结构件安全性R-Map图
根据表6可知，该在役16Mn钢承力结构件的风险结果1个落在C领域，1个落在B1 领域，即该在役16Mn钢承力结构件应采取相应的保养、检修措施，在合理可行的情况下尽可能的降低其风险，提高其安全性。

Claims (7)

1.一种在役钢承力结构件安全性的测试方法，包括以下步骤：
步骤1，系统构建，构建在役钢承力结构件安全性的测试系统，该系统包括信号采集单元，数据处理单元，安全评估单元和控制响应单元；
步骤2，信号采集，信号采集单元采集在役钢承力结构件上的声发射信号，并实时地将采集到的声发射信号传送到数据处理单元；
步骤3，数据处理单元进行数据处理，包括以下处理步骤：
步骤3.1，对声发射信号进行滤噪处理；
步骤3.2，对钢承力结构件一段时间内的声发射幅值进行累积，得到关于幅值的累积函数；
步骤3.3，根据所述关于幅值的累积函数计算得到数据处理参数△x；
步骤4，当△x>0时，启动安全评估，此时，安全评估单元根据△x确定被测试的在役钢承力结构件在钢承力结构件安全性R-Map图中所处的区域，
步骤5，控制响应单元根据所述被测试的结构件在钢承力结构件安全性R-Map图中所处的区域采取相应的降低损伤风险的措施；
其特征在于，
所述步骤3.3根据如下公式计算得到△x：
对所述关于幅值的累积函数进行Taylor公式展开，并截取前五项，记为：
V(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4 (1)
其中V(t)表示累积幅值，t表示累积时间，a0，a1，…，a4为展开系数，
计算△x，
步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1，根据在役钢承力结构件不同损伤程度的经验数据基于△x的取值范围建立损伤的严重程度的等级，根据在役钢承力结构件不同损伤状态的经验数基于损伤发生频次的量级区间建立损伤的发生频度的等级，建立发生频度等级-严重程度等级的钢承力结构件安全性R-Map图；
步骤4.2，根据△x的计算值确定被测试的在役钢承力结构件损伤的严重程度的级别；
步骤4.3，分析△x在所确定的严重程度的级别上的发生次数，进而计算得到发生频度；
步骤4.4，根据被测试的在役钢承力结构件损伤的严重程度的级别和发生频度，确定所述被测试的结构件在钢承力结构件安全性R-Map图中所处的区域。
2.根据权利要求1所述的在役钢承力结构件安全性的测试方法，其特征在于，所述步骤4.1，根据在役钢承力结构件不同损伤程度的经验数据基于△x的取值范围将损伤的严重程度划分为无伤、轻微、临界、严重以及致命五个程度的等级，其中，△x<0为无伤，△x＝0为轻微，0<△x<A1为临界，A1≤△x<A2为严重，△x≥A2为致命。
3.根据权利要求2所述的在役钢承力结构件安全性的测试方法，其特征在于，A1＝800，A2＝1000。
4.根据权利要求1所述的在役钢承力结构件安全性的测试方法，其特征在于，所述步骤4.1，根据在役钢承力结构件不同损伤状态的经验数基于损伤发生频次的量级区间将损伤的发生频度划分为频发、经常发生、偶发、不易发生、基本不可能和不予考虑五个等级。
5.根据权利要求4所述的在役钢承力结构件安全性的测试方法，其特征在于，发生频次分别为10-3以上、10-3～10-4、10-4～10-5、10-5～10-6、10-6～10-7、和10-8以下时，其发生频度的等级分别为频发、经常发生、偶发、不易发生、基本不可能和不予考虑。
6.根据权利要求1所述的在役钢承力结构件安全性的测试方法，其特征在于，所述步骤4，是根据风险的可接受程度划分钢承力结构件安全性R-Map图的区域。
7.根据权利要求6所述的在役钢承力结构件安全性的测试方法，其特征在于，根据风险的可接受程度将钢承力结构件安全性R-Map图划分为3个区域，A区、B区和C区；A区表示不能接受的领域，相应的降低损伤风险的措施为立即停止使用被测试的钢承力结构件，进行更换、维修；B区表示合理可行的最低限度区，相应的降低损伤风险的措施为保养、检修；C区表示安全领域，不采取任何措施而继续使用被测试的结构件。
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