CN109182726B - 一种基于声发射技术的振动时效激振频率确定系统及方法 - Google Patents

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Abstract

基于声发射技术的振动时效激振频率确定系统，包括上位机系统、任意波形发生卡、驱动器、激振器、声发射传感器、前置放大器、主放大器、加速度传感器、电荷放大器、示波器、数据采集卡、支撑装置；上位机系统包括有限元数值模拟模块，优选的激振频率确定模块，电压信号获取模块，电压峰值获取模块，电压峰值阈值设置模块，声发射信号获取模块，声发射信号特征获取模块。基于声发射技术的振动时效激振频率确定方法其特征在于：数值模拟分析；确定优选的激振频率；获取声发射信号的特征；从优选的激振频率中确定用于动时效处理的激振频率。本发明具有能够根据构件表面残余应力分布状态和振动时效微观机制确定振动时效激振频率的优点。

Description

一种基于声发射技术的振动时效激振频率确定系统及方法
技术领域
本发明涉及振动时效技术领域，特指一种基于声发射技术的振动时效激振频率确定系统及方法。
技术背景
如何消除构件加工制造过程中的残余应力是机械制造工业领域中的一项重要研究课题。振动时效技术具有处理效果好、处理时间短、环境污染小、能耗低、易于现场操作等特点，属于高效节能绿色环保的时效处理技术。因此，对振动时效技术开展研究具有重要的工程应用价值。目前市场上常用的振动时效系统采用的是传统的扫频法确定振动时效的激振频率，并未考虑构件的残余应力分布状态，这样确定的振动时效激振频率，不利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果。此外，扫频法是通过扫频振动的方式寻找构件的固有频率，然后在其固有频率或在其亚共振区域选择一频率对构件进行振动时效处理，然而通过扫频振动的方式确定的构件振动时效激振频率往往不止一个，此时如何在这些频率中确定出合适的振动时效激振频率已经成为振动时效工艺参数研究领域迫切需要解决的一个问题。
此外，构件内部微观缺陷的形式多种多样，且缺陷之间的相互作用强弱程度也不一样，而传统的扫频法主要是为了获得构件的固有频率，然后在其固有频率或在其亚共振区域选择一频率对构件进行振动时效处理，而在这样确定的激振频率下进行振动时效处理，构件内部的微观缺陷并不一定会被激活，即构件内部的微观缺陷对此激振频率并不敏感，导致构件经过振动时效处理后并不能获得理想的时效效果，因此如何确定有效的振动时效激振频率也是振动时效工艺参数研究领域迫切需要解决的一个问题。要确定有效的振动时效激振频率必然需要从振动时效消除残余应力的微观机制出发，然而目前常用的扫频法在确定振动时效激振频率时，并未考虑振动时效消除残余应力的微观机制。振动时效消除残余应力的微观机制是微观尺度的位错激活运动，导致构件内部产生弹塑性变形，进而使得构件产生宏观弹塑性变形，最终达到释放构件内部残余应力的目的。然而扫频法确定振动时效激振频率时，并未考虑到微观尺度的位错运动，因而确定的激振频率必然存在着不足。因此，我们可以发现如果能够在确定振动时效激振频率时考虑构件微观尺度位错运动引起的弹塑性变形，那么有利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果。构件在受力作用产生弹塑性变形时，以弹性波形式释放出应变能的现象，称为声发射。这种声发射现象与振动时效技术的微观机制都是以微观尺度的位错运动引起的弹塑性变形为基础，我们不难发现如果能够采用声发射技术确定构件振动时效处理的激振频率，有利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果。鉴于此，为了克服现有扫频法确定振动时效激振频率时存在的不足，本发明提出一种基于声发射技术的振动时效激振频率确定系统及方法。
发明内容
为了克服现有扫频法确定振动时效激振频率时存在的不足，本发明提出一种基于声发射技术的振动时效激振频率确定系统及方法。
基于声发射技术的振动时效激振频率确定系统，包括上位机系统、任意波形发生卡、驱动器、激振器、声发射传感器、前置放大器、主放大器、加速度传感器、电荷放大器、示波器、数据采集卡、支撑装置；激振器固定在构件表面，构件采用具有弹性的支撑装置进行支撑；上位机系统控制任意波形发生卡输出的激振信号经由驱动器输入到激振器，进而驱动激振器产生振动；声发射传感器安装在构件上，声发射传感器与前置放大器的输入端连接，前置放大器的输出端与主放大器的输入端连接，主放大器的输出端与数据采集卡的输入端连接；加速度传感器安装在构件上，加速度传感器与电荷放大器的输入端连接，电荷放大器的输出端与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与上位机系统连接。
上位机系统包括有限元数值模拟模块，优选的激振频率确定模块，获取数据采集卡采集到的电压信号的电压信号获取模块，获取电压信号峰值的电压峰值获取模块，电压峰值阈值设置模块，声发射信号获取模块，声发射信号特征获取模块。
进一步，所述的支撑装置为弹性元件。
进一步，所述的加速度传感器为压电式加速度传感器。
进一步，所述的声发射信号特征为声发射信号的有效值电压。
基于声发射技术的振动时效激振频率确定方法包括以下步骤：
(1)、将构件与激振器固定连接；采用具有弹性的支撑装置对构件进行支撑，以便激振器对构件进行激振；接通信号连线，接通电源；
(2)、启动有限元数值模拟模块中安装的ANSYS有限元软件；采用ANSYS有限元软件建立构件的三维有限元模型，模拟构件的实际加工制造过程，得到构件的表面残余应力分布状态；对构件进行数值模态分析，得到构件的各阶固有频率、各阶谐波频率以及与各阶固有频率、各阶谐波频率所对应的振型；确定每一阶振型上振动能量分布较大的区域；优选的激振频率确定模块根据构件的表面残余应力分布状态，确定出峰值残余应力分布区域与振动能量分布较大区域相一致的振型，该振型对应的频率即为优选出的振动时效激振频率fi，i＝1,2,…,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；
具体来说，通过数值模拟技术获取构件的表面残余应力分布状态以及构件的各阶振型，通过构件的各阶振型能够得到构件在不同的激振频率下进行振动时效处理时的振动能量分布状态，在结合构件的表面残余应力分布状态，能够优选出一组适合于振动时效处理的激振频率。通过本发明提出的方法首先采用数值模拟技术优选出一组适合于振动时效处理的激振频率，然后在进一步采用声发射技术从优选出的一组适合于振动时效处理的激振频率中确定振动时效处理的激振频率。采用数值模拟的技术优选出一组适合于振动时效处理的激振频率，充分考虑了构件的表面残余应力分布状态，有利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果，同时采用数值模拟技术优选出一组适合于振动时效处理的激振频率，相比对扫频法需要采用实验的方法确定振动时效处理的激振频率，能够节约振动时效处理的成本，同时能够提高确定振动时效处理的激振频率的效率。
(3)、分别在优选出的激振频率fi下进行振动时效处理，i＝1,2,…,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；加速度传感器将采集到的构件振动信号通过电荷放大器转换为电压信号；上位机系统中的电压信号获取模块获取数据采集卡采集的电压信号；上位机系统中的电压峰值获取模块获取电压信号的电压峰值Ui，i＝1,2,…,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；当获取的电压峰值Ui与上位机系统中的电压峰值阈值设置模块中设置的电压峰值阈值Ul一致时，上位机系统中的声发射信号获取模块控制数据采集卡开始采集声发射信号，采集时间为Δt；
具体来说，首先在优选出的激振频率f1下进行振动时效处理，当获取的电压峰值U1与上位机系统中的电压峰值阈值设置模块中设置的电压峰值阈值Ul一致时，上位机系统中的声发射信号获取模块控制数据采集卡开始采集声发射信号；然后在优选出的激振频率f2下进行振动时效处理，当获取的电压峰值U2与上位机系统中的电压峰值阈值设置模块中设置的电压峰值阈值Ul一致时，上位机系统中的声发射信号获取模块控制数据采集卡开始采集声发射信号；这样的过程直到所有优选出的激振频率fi被执行完毕为止，i＝1,2,…,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数。在不同的优选出的激振频率下进行振动时效处理时，都是当获取的电压峰值与电压峰值阈值设置模块中设置的电压峰值阈值一致时，才开始采集声发射信号，这是为了确保构件在不同的激振频率下进行振动时效处理时作用在构件上的振动能量一致，不然作用在构件上的振动能量不一致，必然会导致产生的声发射信号有差异，只有确保作用在构件上的振动能量一致，才能研究构件内部微观缺陷对哪一个激振频率敏感，从而将微观缺陷最敏感的频率确定出来，并选择该频率作为振动时效处理的激振频率。
(4)、上位机系统中的声发射信号特征获取模块分别对在优选出的激振频率fi下进行振动时效处理时获取的声发射信号进行特征获取，并将获取到的声发射信号的有效值电压记为RMSi，i＝1,2,…,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；选取声发射信号的有效值电压RMS最大时的频率作为振动时效处理的激振频率。
具体来说，声发射信号的有效值电压越大，即构件在此激振频率下进行振动时效处理时产生的弹塑性变形最为明显，也就是说构件内部的微观缺陷对此激振频率最为敏感，从而将此激振频率作为振动时效处理的激振频率。
进一步，所述的信号连线包括上位机系统与任意波形发生卡之间的信号连线；任意波形发生卡与驱动器之间的信号连线；驱动器与激振器之间的信号连线；加速度传感器与电荷放大器之间的信号连线；电荷放大器与示波器之间的信号连线；示波器与数据采集卡之间的信号连线；声发射传感器与前置放大器之间的信号连线；前置放大器与主放大器之间的信号连线；主放大器与数据采集卡之间的信号连线；数据采集卡与上位机系统之间的信号连线；所述的电源包括上位机系统、任意波形发生卡、驱动器、激振器、电荷放大器、示波器、前置放大器、主放大器和数据采集卡的电源。
进一步，所述的时间Δt为2min。
进一步，所述的电压峰值用于表征作用在构件上的振动能量。
所述的加速度传感器的灵敏度值为s(pC/ms-2)，电荷放大器输入端的灵敏度系数为S(pC/Unit)，放大系数为F(Unit/V)，则作用在构件上的加速度振级与电压峰值之间的转换关系为
Figure BDA0001794187760000051
其中a为作用在构件上的加速度振级，U为电压峰值，因此电压峰值能够用于表征作用在构件上的振动能量，且采用所述的电压峰值表征作用在构件上的振动能量，可以减少上位机系统的处理工作量，提高整个振动时效系统的运行效率。
本发明的技术构思是：由上位机系统、任意波形发生卡、驱动器、激振器、加速度传感器、电荷放大器、示波器、声发射传感器、前置放大器、主放大器、数据采集卡以及支撑装置组成基于声发射技术的振动时效激振频率确定系统，该系统在确定振动时效激振频率时，采用了数值模拟技术与声发射技术，能够获得理想的振动时效消除残余应力的效果。
本发明的有益效果如下：
1、采用本发明提出的基于声发射技术的振动时效激振频率确定系统确定构件振动时效处理的激振频率时，是通过上位机系统进行控制，减少了工作量，提高了工作效率。
2、本发明采用数值模拟技术获取构件的振型和构件的表面残余应力分布状态，在此基础上确定构件的振动时效处理的激振频率，有利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果。
3、本发明采用数值模拟技术确定出优选的一组激振频率，在此基础上采用声发射技术从优选的一组激振频率中确定振动时效处理的激振频率，克服了扫频法确定激振频率时不考虑构件表面残余应力分布状态的不足，同时与扫频法相比，本发明提出的激振频率确定方法是从振动时效消除残余应力的微观机制出发，因而本发明提出的振动时效激振频率确定方法更有针对性，有利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果。
附图说明
图1基于声发射技术的振动时效激振频率确定系统示意图。
具体实施方式
参照附图，进一步说明本发明：
基于声发射技术的振动时效激振频率确定系统，包括上位机系统、任意波形发生卡、驱动器、激振器、声发射传感器、前置放大器、主放大器、加速度传感器、电荷放大器、示波器、数据采集卡、支撑装置；激振器固定在构件表面，构件采用具有弹性的支撑装置进行支撑；上位机系统控制任意波形发生卡输出的激振信号经由驱动器输入到激振器，进而驱动激振器产生振动；声发射传感器安装在构件上，声发射传感器与前置放大器的输入端连接，前置放大器的输出端与主放大器的输入端连接，主放大器的输出端与数据采集卡的输入端连接；加速度传感器安装在构件上，加速度传感器与电荷放大器的输入端连接，电荷放大器的输出端与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与上位机系统连接。
上位机系统包括有限元数值模拟模块，优选的激振频率确定模块，获取数据采集卡采集到的电压信号的电压信号获取模块，获取电压信号峰值的电压峰值获取模块，电压峰值阈值设置模块，声发射信号获取模块，声发射信号特征获取模块。
进一步，所述的支撑装置为弹性元件。
进一步，所述的加速度传感器为压电式加速度传感器。
进一步，所述的声发射信号特征为声发射信号的有效值电压。
基于声发射技术的振动时效激振频率确定方法包括以下步骤：
(1)、将构件与激振器固定连接；采用具有弹性的支撑装置对构件进行支撑，以便激振器对构件进行激振；接通信号连线，接通电源；
(2)、启动有限元数值模拟模块中安装的ANSYS有限元软件；采用ANSYS有限元软件建立构件的三维有限元模型，模拟构件的实际加工制造过程，得到构件的表面残余应力分布状态；对构件进行数值模态分析，得到构件的各阶固有频率、各阶谐波频率以及与各阶固有频率、各阶谐波频率所对应的振型；确定每一阶振型上振动能量分布较大的区域；优选的激振频率确定模块根据构件的表面残余应力分布状态，确定出峰值残余应力分布区域与振动能量分布较大区域相一致的振型，该振型对应的频率即为优选出的振动时效激振频率fi，i＝1,2,…,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；
具体来说，通过数值模拟技术获取构件的表面残余应力分布状态以及构件的各阶振型，通过构件的各阶振型能够得到构件在不同的激振频率下进行振动时效处理时的振动能量分布状态，在结合构件的表面残余应力分布状态，能够优选出一组适合于振动时效处理的激振频率。通过本发明提出的方法首先采用数值模拟技术优选出一组适合于振动时效处理的激振频率，然后在进一步采用声发射技术从优选出的一组适合于振动时效处理的激振频率中确定振动时效处理的激振频率。采用数值模拟的技术优选出一组适合于振动时效处理的激振频率，充分考虑了构件的表面残余应力分布状态，有利于获得理想的振动时效消除残余应力的效果，同时采用数值模拟技术优选出一组适合于振动时效处理的激振频率，相比对扫频法需要采用实验的方法确定振动时效处理的激振频率，能够节约振动时效处理的成本，同时能够提高确定振动时效处理的激振频率的效率。
(3)、分别在优选出的激振频率fi下进行振动时效处理，i＝1,2,…,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；加速度传感器将采集到的构件振动信号通过电荷放大器转换为电压信号；上位机系统中的电压信号获取模块获取数据采集卡采集的电压信号；上位机系统中的电压峰值获取模块获取电压信号的电压峰值Ui，i＝1,2,…,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；当获取的电压峰值Ui与上位机系统中的电压峰值阈值设置模块中设置的电压峰值阈值Ul一致时，上位机系统中的声发射信号获取模块控制数据采集卡开始采集声发射信号，采集时间为Δt；
具体来说，首先在优选出的激振频率f1下进行振动时效处理，当获取的电压峰值U1与上位机系统中的电压峰值阈值设置模块中设置的电压峰值阈值Ul一致时，上位机系统中的声发射信号获取模块控制数据采集卡开始采集声发射信号；然后在优选出的激振频率f2下进行振动时效处理，当获取的电压峰值U2与上位机系统中的电压峰值阈值设置模块中设置的电压峰值阈值Ul一致时，上位机系统中的声发射信号获取模块控制数据采集卡开始采集声发射信号；这样的过程直到所有优选出的激振频率fi被执行完毕为止，i＝1,2,…,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数。在不同的优选出的激振频率下进行振动时效处理时，都是当获取的电压峰值与电压峰值阈值设置模块中设置的电压峰值阈值一致时，才开始采集声发射信号，这是为了确保构件在不同的激振频率下进行振动时效处理时作用在构件上的振动能量一致，不然作用在构件上的振动能量不一致，必然会导致产生的声发射信号有差异，只有确保作用在构件上的振动能量一致，才能研究构件内部微观缺陷对哪一个激振频率敏感，从而将微观缺陷最敏感的频率确定出来，并选择该频率作为振动时效处理的激振频率。
(4)、上位机系统中的声发射信号特征获取模块分别对在优选出的激振频率fi下进行振动时效处理时获取的声发射信号进行特征获取，并将获取到的声发射信号的有效值电压记为RMSi，i＝1,2,…,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；选取声发射信号的有效值电压RMS最大时的频率作为振动时效处理的激振频率。
具体来说，声发射信号的有效值电压越大，即构件在此激振频率下进行振动时效处理时产生的弹塑性变形最为明显，也就是说构件内部的微观缺陷对此激振频率最为敏感，从而将此激振频率作为振动时效处理的激振频率。
进一步，所述的信号连线包括上位机系统与任意波形发生卡之间的信号连线；任意波形发生卡与驱动器之间的信号连线；驱动器与激振器之间的信号连线；加速度传感器与电荷放大器之间的信号连线；电荷放大器与示波器之间的信号连线；示波器与数据采集卡之间的信号连线；声发射传感器与前置放大器之间的信号连线；前置放大器与主放大器之间的信号连线；主放大器与数据采集卡之间的信号连线；数据采集卡与上位机系统之间的信号连线；所述的电源包括上位机系统、任意波形发生卡、驱动器、激振器、电荷放大器、示波器、前置放大器、主放大器和数据采集卡的电源。
进一步，所述的时间Δt为2min。
进一步，所述的电压峰值用于表征作用在构件上的振动能量。
所述的加速度传感器的灵敏度值为s(pC/ms-2)，电荷放大器输入端的灵敏度系数为S(pC/Unit)，放大系数为F(Unit/V)，则作用在构件上的加速度振级与电压峰值之间的转换关系为
Figure BDA0001794187760000081
其中a为作用在构件上的加速度振级，U为电压峰值，因此电压峰值能够用于表征作用在构件上的振动能量，且采用所述的电压峰值表征作用在构件上的振动能量，可以减少上位机系统的处理工作量，提高整个振动时效系统的运行效率。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.使用一种基于声发射技术的振动时效激振频率确定系统确定振动时效激振频率的方法，所述的基于声发射技术的振动时效激振频率确定系统包括上位机系统、任意波形发生卡、驱动器、激振器、声发射传感器、前置放大器、主放大器、加速度传感器、电荷放大器、示波器、数据采集卡、支撑装置；激振器固定在构件表面，构件采用具有弹性的支撑装置进行支撑；上位机系统控制任意波形发生卡输出的激振信号经由驱动器输入到激振器，进而驱动激振器产生振动；声发射传感器安装在构件上，声发射传感器与前置放大器的输入端连接，前置放大器的输出端与主放大器的输入端连接，主放大器的输出端与数据采集卡的输入端连接；加速度传感器安装在构件上，加速度传感器与电荷放大器的输入端连接，电荷放大器的输出端与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与上位机系统连接，其特征在于方法按照如下步骤进行：
(1)、将构件与激振器固定连接；采用具有弹性的支撑装置对构件进行支撑，以便激振器对构件进行激振；接通信号连线，接通电源；
(2)、启动有限元数值模拟模块中安装的ANSYS有限元软件；采用ANSYS有限元软件建立构件的三维有限元模型，模拟构件的实际加工制造过程，得到构件的表面残余应力分布状态；对构件进行数值模态分析，得到构件的各阶固有频率、各阶谐波频率以及与各阶固有频率、各阶谐波频率所对应的振型；确定每一阶振型上振动能量分布较大的区域；优选的激振频率确定模块根据构件的表面残余应力分布状态，确定出峰值残余应力分布区域与振动能量分布较大区域相一致的振型，该振型对应的频率即为优选出的振动时效激振频率fi，i＝1,2,…,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；
(3)、分别在优选出的激振频率fi下进行振动时效处理，i＝1,2,…,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；加速度传感器将采集到的构件振动信号通过电荷放大器转换为电压信号；上位机系统中的电压信号获取模块获取数据采集卡采集的电压信号；上位机系统中的电压峰值获取模块获取电压信号的电压峰值Ui，i＝1,2,…,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；当获取的电压峰值Ui与上位机系统中的电压峰值阈值设置模块中设置的电压峰值阈值Ul一致时，上位机系统中的声发射信号获取模块控制数据采集卡开始采集声发射信号，采集时间为Δt；
(4)、上位机系统中的声发射信号特征获取模块分别对在优选出的激振频率fi下进行振动时效处理时获取的声发射信号进行特征获取，并将获取到的声发射信号的有效值电压记为RMSi，i＝1,2,…,n，其中n为正整数，为优选出的一组激振频率的个数；选取声发射信号的有效值电压RMS最大时的频率作为振动时效处理的激振频率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：上位机系统包括有限元数值模拟模块，优选的激振频率确定模块，获取数据采集卡采集到的电压信号的电压信号获取模块，获取电压信号峰值的电压峰值获取模块，电压峰值阈值设置模块，声发射信号获取模块，声发射信号特征获取模块。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的支撑装置为弹性元件。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的加速度传感器为压电式加速度传感器。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的声发射信号特征为声发射信号的有效值电压。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的信号连线包括上位机系统与任意波形发生卡之间的信号连线；任意波形发生卡与驱动器之间的信号连线；驱动器与激振器之间的信号连线；加速度传感器与电荷放大器之间的信号连线；电荷放大器与示波器之间的信号连线；示波器与数据采集卡之间的信号连线；声发射传感器与前置放大器之间的信号连线；前置放大器与主放大器之间的信号连线；主放大器与数据采集卡之间的信号连线；数据采集卡与上位机系统之间的信号连线；所述的电源包括上位机系统、任意波形发生卡、驱动器、激振器、电荷放大器、示波器、前置放大器、主放大器和数据采集卡的电源。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的时间Δt为2min。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的电压峰值用于表征作用在构件上的振动能量。
CN201811049646.3A 2018-09-10 2018-09-10 一种基于声发射技术的振动时效激振频率确定系统及方法 Active CN109182726B (zh)

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