CN112182832A - 用于非破坏性检查的计算机实现的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于非破坏性检查结构的部件的计算机实现的方法和系统。该方法包括振动所述部件；使用包含一个或多个麦克风的传感器单元测量所述部件的振动频率；获取所述部件的第一频率响应并在第一频率响应中识别至少一个本征频率；比较至少一个本征频率与预期的振动频率并获得它们之间的差异；以及根据本征频率与预期的振动频率之差异确定所述部件是否有缺陷。

Description

用于非破坏性检查的计算机实现的方法和系统
技术领域
本公开总体上涉及用于结构组件的非破坏性检查的技术，并且更具体地涉及用于使用频率响应来检测结构的部件中的结构损伤的质量控制系统和方法。
背景技术
许多机械系统，例如商用载具、制造设备和其他工业系统可能会暴露在特别活跃的环境条件下，例如振动、极端温度、冲击和机械应力。例如，即使在地面上，飞机也可能在货物装卸期间承受巨大的压力，以及来自支持载具和地面支撑设备的撞击。在飞行过程中，起飞和降落过程中可能会因货物移动或固定不当、飞行过程中物体的冲击等而产生应力和/或撞击。另外，由于暴露于高温或低温下可能会导致热应力。
因此通常在使用寿命期间，但也在生产过程中定期检查和评估组件。使用3D打印制造的结构组件的完整性可能会受到损害，而没有伴随视觉可检测的环境条件对组件影响的迹象。3D打印也称为增材制造(AM)，其可以限定为连接材料以根据计算机辅助设计(CAD)模型数据制作物体的工艺，与减法制造方法相反，其通常是逐层的。
当前，通常使用X射线技术或计算机断层扫描来检查AM组件。这种技术需要昂贵的设备和复杂的程序。这使得检查费力、困难并且昂贵。此外，由于系统的分辨率，某些微断裂在X射线或计算机断层扫描期间可能未被发现。
可选地，可以使用液体渗透剂技术。然而，这些操作必须由操作员手动进行。它们非常耗时，并且取决于特定操作员的技能和经验。染料渗透剂是加工(metha maschined)和固定部件的常用方法，但在这里人工检查可能不容易发现小裂纹，特别是当热应力在裂纹中诱导压缩载荷时。此外，如果组件是使用激光焊接工艺逐层制造的增材制造部件，所述部件内部会产生热应力，并且可能会引起微裂纹，而现有的检查技术则不太合适，因为它们要么由于设备而昂贵要么由于体力劳动而劳动密集。当前，所有AM部件都必须进行全面检查。
因此，存在对非破坏性检查技术的需求，其可以指示在制造之后或在操作期间暴露于环境条件之后对结构组件的累积影响。这些指示可能导致在适当的时候安排对结构组件进行进一步评估、维护和/或更换。
发明内容
本文中可公开一种用于通过使用本征频率来检测部件的微断裂的方法和系统。在某个实例中，公开了一种用于非破坏性检查结构的部件的计算机实现的方法。所述计算机实现的方法可以包括：振动所述部件、使用包括一个或多个麦克风的传感器单元来测量所述部件的振动频率、获得所述部件的第一频率响应以及在所述第一频率响应中识别至少一个本征频率；将所述至少一个本征频率与预期的振动频率进行比较并获得它们之间的差异，以及基于本征频率和预期的振动频率之间的差异来确定所述部件有缺陷。
在另一个实例中，公开了一种用于结构的部件的非破坏性检查的系统。该系统可以包括：被配置为接收该部件的声学室、被耦合至该声学室并被配置为测量该部件的振动频率以获得所述部件的频率响应且在频率响应中识别至少一个本征频率的传感器单元、以及处理单元。所述处理单元可以被配置为比较所述至少一个本征频率与预期的振动频率以获得它们之间的差异，并且基于所述差异将所述部件识别为有缺陷。
该方法和系统的有利展开讨论如下。已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实例中独立地实现，或者可以在其他实例中组合，可以参考以下描述和附图来进一步了解其细节。
附图说明
一系列附图有助于更好地理解本公开并且作为非限制性实例呈现且在下面非常简要地描述。
图1A示出了没有缺陷的原有部件的图示。
图1B示出了具有微断裂的缺陷部件的图示。
图2A示出了第一组频率中原有部件和缺陷部件的频率响应的表示。
图2B示出了第二组频率中原有部件和缺陷部件的频率响应的表示。
图3示出了根据图2A和2B的原有部件和缺陷部件的频率响应和归一化幅度的图形表示。
图4A-4C示出了放置待测部件的几种可能性。
图5A-5B示出了具有和不具有内部阻尼的两个声学室。
图6示出了方法的整体实例的几个步骤的流程图。
图7示出了系统的整体实例的高级框图。
数字
2非原有AM部件。
4微断裂。
6原有AM部件。
8位移分布区域。
52声学室
54内部阻尼器
56手柄。
60更新频率响应步骤。
62几何测量步骤。
64安排步骤。
66放置步骤。
68声学测量步骤。
70处理单元。
76传感器单元。
具体实施方式
各种实例示出了用于检查和诊断结构例如飞机的部件的技术。提议使用不同的测量设备来测量结构的部件上的频率，并以两个单独的时间间隔进行测量。在没有限制的情况下，各种实例都称为AM部件。然而所公开的技术对于其他种类的工业组件同样有效。
提出的技术利用了相似的无缺陷部件产生非常相似的频率响应的特性。但是，如果部件之一有缺陷，例如由于裂纹，频率响应会发生巨大变化。尽管温度或湿度等因素可能会产生影响，但影响却很小。
在实践中，对于AM部件，甚至可以在构建第一个AM部件之前通过有限元分析来计算频率响应。附加地或可选地，可以通过实际测量来获得所获得的频率响应。
因此，本公开提出了一种用于通过使用本征频率来检测部件的微断裂的廉价且安全的技术的方法和系统。此外，特别地，它允许在增材制造(AM)部件的批量生产中以及在维护期间有利地实施环保程序。它可以用于许多领域。例如，在航空航天中用于所有结构和内部(家具、室内装饰、座椅等)，但也在汽车、风能、运动用品等中。
本征频率应理解为在没有任何驱动力或阻尼力的情况下系统趋于振荡的频率。
本公开可以包括扫描部件，特别是AM部件的本征频率，获得代表该部件的频率响应，使用来自有限元计算或实际测量的数值分析，比较所述部件的频率响应与期望的频率响应。
可以通过应用数值分析和有限元计算，从已知无缺陷如微断裂、故障等的类似部件中获得期望的频率响应。这被称为原有部件。注意，组件中局部刚度的减小会造成一个或多个本征频率的变化。因此，频率响应可被用作识别部件中几何形状和/或刚度未正确分配的特征。
可选地或附加地，可以获得频率响应，其限定了用于对所述部件进行测量的两个单独的时间段，一个是在使用之前的新部件而另一个是在使用所述部件之后。
为了获得频率响应，应正确放置部件。例如通过放置在板上、挂在钩上或固定在支撑件上，以及其他可能性。部件的放置可以在适合频率响应测量的测量声学室内或之前完成。该声学室可以配备或不配备声学阻尼。传感器单元进行的测量可以通过麦克风或其他合适的设备如压电设备来进行以测量例如新部件或用过的部件的频率响应。传感器单元的这些设备可以在所述室的内部或外部。
图1A示出了原有AM部件6的实例，已知其没有缺陷。这可以是在安装到诸如飞机、车辆、风力发电机等结构上之前的AM部件。在某些实例中，AM部件6可以是在AM工艺(例如闪蒸)中保持清洁的AM部件。
另一方面，图1B示出了包括微断裂4的有缺陷的非原有AM部件2的实例。
图2A示出了在第一组频率1-5中扫描的原有AM部件6和有缺陷的非原有AM部件2的实例的几个图像。图2B示出了在第二组频率6-10中扫描的原有AM部件6和有缺陷的非原有部件2的几个图像。
如在图2A和2B中可以理解的，在原有AM部件6和非原有AM部件2中存在不同的区域。在某些实例中，可以通过多种操作来扫描不同的区域，但是其他实例可以对部件2或6作为一个整体进行扫描。这些不同的区域，称为位移分布区域8，在扫描时会取决于扫描的振动频率返回归一化振动幅度的不同的值。位移分布区域8用点虚线表示。
如果非原有AM部件2没有缺陷，则频率响应应与原有AM部件6相同。然而，如果存在缺陷或损坏，通常是微断裂4或故障，则位移分布区域8在两个部件2、6都与一个或多个频率不匹配。此结果可用于触发有缺陷的非原有AM部件4的维护指示、进一步评估的时间表或替换或修理(如果可行)。此外，考虑到它们的特性，例如随时间推移而伸长或形状变化，它们可以提供有用的信息，以与AM部件中的特定类型的缺陷相关联。通常，位移越大，该区域的AM部件越弱。有利地，可以限定不同的阈值以限定多个缺陷级别。另外，不仅振动幅度值是有用的，而且振动频率的对应值也是有用的。通常可以观察到有缺陷的非原有AM部件2会由于裂纹而产生较高频率的响应(较弱)和较低频率的故障(较多的阻尼)。
通常使用的频率集取决于多个方面选择，例如所使用的材料、部件的几何形状以及部件内的刚度分布。每个设计都有其典型的频率响应，可以使用有限元建模方法预先计算出来。根据这些结果，可以调整频率范围。
图3示出了对应于图2A和2B的频率响应集的图形表示。可以理解，在某些振动频率处存在重叠的脉冲，这表明两个AM部件的响应相同。然而，故障部件的频率f4至f10相对于原有部件f'4至f'10发生了偏移。结果，在预期的频率f'i上未出现几个归一化的振动幅度。每个部件都有自己的频率响应谱。因此，这可意味着测试的非原有AM部件2是有缺陷的。这是该部件的特征。
为了比较频率响应，第一种选择是使用无缺陷的原有AM部件6(例如在所述部件生产后不久进行首次制品检查)。另一种选择涉及使用相同的非原有AM部件并在其整个生命周期的不同时刻测量AM部件，从而限定检查间隔并分析其演变。通过最初获得频率响应，可以限定并保存AM部件的特征并将其用作基础响应，以通过在相同的振动频率下进行测量并比较响应来检测该部件使用寿命中的结构缺陷。因此，当频率响应在随后的检查间隔改变之后，可以检测到微断裂6或类似的故障。
在图5A中示出了测量设备。该测量设备包括具有内部阻尼器54的声学室52和用于紧固部件2的手柄56。类似地，图5B示出了没有内部阻尼器的相同的声学室52。在某些实施例中，内部阻尼器可用于允许部件在频率之间精确过渡，而不会因第一频率下的分析而导致的振动影响第二频率下部件的性能。麦克风可以安装在形成传感器单元的声学室52的内部或外部。使用图4A-4C所示的任何布置，将要测试的AM部件放置在声室52中。
通过以设定的时间间隔进行测量(例如使用麦克风)，可以确定所述部件的特征是否发生变化。扫描所述部件的本征频率可发现是否由于局部刚度降低而在部件中存在任何诸如微断裂的缺陷。优选地，在将AM部件安装到结构上之前进行数值计算并将其与测得的频率进行比较。然后，可以建立频率响应的差异，以确定部件中是否存在微断裂或损坏。
图6示出了方法的整体实例的几个步骤的流程图。
使用3D技术进行几何测量步骤62。该步骤获得了所制造部件的外部几何形状。
基于来自步骤62的测量，可以将数值计算更新为包括可接受公差的制造几何形状，并且可以在步骤60中使用有限元方法(FEM)进行频率响应分析。频率响应分析可以确定AM部件的本征频率。这些本征频率是无缺陷的AM部件的频率响应。在特定实例中，可以在基于步骤62的测量值更新FEM几何形状之后进行频率响应分析。可以基于诸如原有AM部件6或已知没有缺陷的特定非原有AM部件2来进行FEM频率响应分析。在某些情况下，可进行基于步骤62的结果在步骤60中进行更新的频率响应分析，以获得用于AM部件2的后续分析更准确的基础数据。
此外，在几何测量步骤62之后，可以进行布置步骤64以准备AM部件用于测量频率响应。如图4A-4C所示，将AM部件2悬挂、夹紧、简单地放置或以其他方式保持。
然后进行放置步骤66以显示用于测量AM部件2的频率响应的部件。因此，如图5A-5B所示，将AM部件2放置在声学室内。声学室可以包括声学阻尼或者可以不具有声学阻尼。
然后进行声学测量步骤68以测量频率响应。该测量可以通过例如使AM部件2振动并利用外部或内部麦克风测量振动或通过扫描所述部件并确定本征频率来进行。也可以事先对所述部件进行测量(例如在制造的原有部件上)，并将该原有扫描的结果与其后检查间隔的其后扫描结果(例如在步骤68中进行的扫描)进行比较，以通过提取调制差异检测是否因为上次检查或原有检查形成了一个或多个微断裂4。
如果步骤68中的扫描结果与先前的扫描结果(本文描述的与图3关联的实施例)相差阈值量(例如相差超过10％、20％或30％)，用户或计算机控制的分析仪可以确定一个或多个断裂4的存在。可选地或附加地，可以将来自步骤60的频率响应分析结果与步骤68中测量的频率响应进行比较。如果步骤68测得的频率响应与步骤60的频率响应分析结果基本不同，可以进一步确定一个或多个断裂4的存在。
图7示出了系统的整体实例的高级框图。图7示出了一种系统，该系统包括通信地耦合到传感器单元76(例如从传感器单元76接收数据信号和向其提供数据信号)的处理单元70。传感器单元76可以包括一个或多个麦克风。传感器单元76耦合到声学室52。因此，传感器单元76布置在声学室52之内或之外并且能够检测部件2在声学室52内的振动。
已经出于说明和描述的目的显示了实现过程的不同实例的描述，并且其不旨在是穷举的或限于所公开形式的实例。在某些实现过程中，所描述的技术可以由一个或多个电子设备进行。对于本领域普通技术人员而言，许多修改和改变将是显而易见的。选择和描述实例以最好地解释原理、实际应用，并使本领域的其他普通技术人员能够理解本公开。

Claims (10)

1.一种用于对结构的部件(2)进行非破坏性检测的计算机实现的方法，所述方法包括：
振动所述部件；
使用包含一个或多个麦克风的传感器单元(76)测量所述部件(2)的振动频率；
获得所述部件(2)的第一频率响应并在所述第一频率响应中识别至少一个本征频率；
比较所述至少一个本征频率与预期的振动频率并获得它们之间的差异；和
根据所述本征频率和预期的振动频率之间的所述差异确定所述部件(2)有缺陷。
2.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述预期的振动频率是从所述部件(2、6)的先前频率响应的至少一个本征频率获得的，其中所述先前频率响应测量了当所述部件(2、6)没有缺陷时所述部件(2、6)的频率响应。
3.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述预期的振动频率是通过在第一时间段内测量所述部件(2)的振动频率而获得的，并且其中所述第一频率响应是在不同于第一时间段的第二时间段内测量的。
4.根据权利要求3所述的计算机实现的方法，其中所述第一时间段是在将所述部件(6)安装到所述结构上之前的时间段，并且所述第二时间段是在所述结构上使用所述部件(2)之后的时间段。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的计算机实现的方法，还包括：
测量所述部件(2)的振动幅度；
确定多个位移分布区域(8)；和
将所述多个位移分布区域(8)与所述部件(2)中的缺陷相关联。
6.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述部件(2、6)通过增材制造形成。
7.一种用于结构的部件(2)的非破坏性检查的系统，所述系统包括：
声学室(52)，其配置为容纳所述部件(2)；
传感器单元(76)，其耦合到所述声学室(52)并被配置为测量所述部件(2)的振动频率，以获得所述部件(2)的频率响应，并在所述频率响应中识别至少一个本征频率；和
处理单元(70)，其配置为：
将所述至少一个本征频率与预期振动频率进行比较以获得两者之间的差异，并且
根据所述差异确定所述部件(2)有缺陷。
8.根据权利要求7所述的系统，其中当所述部件(2、6)没有缺陷时从所述部件(2、6)的先前响应的至少一个本征频率获得所述预期振动频率。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述预期振动频率是通过在第一时间段内测量所述部件(2、6)的振动频率而获得的，并且其中所述频率响应是在不同于所述第一时间段的第二时间段内测量的。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一时间段是在将所述部件(2、6)安装到所述结构上之前的时间段，并且所述第二时间段是在所述结构上使用所述部件(2)之后的时间段，其中
所述传感器单元(76)还被配置为测量所述部件(2)的振动幅度以确定多个位移分布区域(8)，以及
其中所述处理单元(70)被配置为将所述多个位移分布区域(8)与所述部件(2)中的缺陷相关联。
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