CN113051768B - 一种金属疲劳寿命评价方法、系统、设备及介质 - Google Patents

一种金属疲劳寿命评价方法、系统、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种金属疲劳寿命评价方法、系统、设备及介质。根据本发明实施例提供的技术方案，利用样本金属疲劳试验数据，同时建立已使用寿命与超声非线性系数β及衰减系数α的函数关系。通过超声非线性系数β及衰减系数α共同评价待判断寿命金属的已使用寿命。克服了目前，单独使用超声非线性系数β或衰减系数α都不能评价金属寿命的问题。提高了对金属已使用寿命，尤其是提高了金属产生裂纹前后的寿命判断。

Description

一种金属疲劳寿命评价方法、系统、设备及介质
技术领域
本发明涉及金属疲劳试验领域，尤其涉及一种金属疲劳寿命评价方法、系统、设备及介质。
背景技术
金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。因此需要有效的手段对金属的疲劳程度实施评价。无损检测由于不损害被检测对象的性能，广泛应用于试件检测当中。其中，非线性系数的金属构件寿命检测已经被学者提出并且进行研究。例如军械学院的师小红在论文《基于非线性系数的金属构件寿命预测研究》中，利用非线性系数作为特征参数实现了对微裂纹扩展不同阶段的表征，从而实现了金属构件剩余寿命的预测，并且验证了超声非线性系数与住错密度成正比的位错理论。该研究理论证明非线性系数β/β0与疲劳循环次数N／NF的关系，但当应用到实质金属寿命预测过程中，当获得一个位于峰值附近的测试值时，非线性系数β/β0与疲劳循环次数N／NF的函数并非单调函数，无法判断此时的金属是处于裂纹出现前的状态还是处于裂纹出现后的状态，导致工程人员无法对金属寿命状态进行准确的判断。
发明内容
为此，本发明提供了一种金属疲劳寿命评价方法、系统、设备及介质，以力图解决或者至少缓解上面存在的至少一个问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种金属疲劳寿命评价方法，包括以下步骤：
输入样本金属疲劳试验数据，所述疲劳试验数据包括完全损坏循环NF次的数据，第Ni次试验数据中包含金属的超声非线性系数βi及衰减系数αi，其中，并将金属在Ni次试验中已使用寿命记录为/>；
将已使用寿命与超声非线性系数βi及衰减系数αi对应，建立评价关系：
接收实际测量的待判断寿命金属的超声非线性系数及衰减系数/>；并执行以下计算：
若所获的值仅有一个，则待判断寿命金属的寿命为：
若所获的值为/>,且/>，比较/>、/>与/>的距离，若/>距离/>较近，则
；
若距离/>较近，则/>或/>。
进一步地，将归一化的超声非线性测量值作为β，归一化的衰减测量值作为α。
进一步地，β=第Ni次金属的超声非线性系数测量值/第N1次超声非线性系数测量值；α=第Ni次金属的衰减系数测量值/第N1次衰减系数测量值；归一化的评价关系为：
进一步地，对m组金属实施疲劳试验，将m组金属的寿命综合：
其中，表达为第k组的寿命与衰减系数反函数，/>表达为第k组的寿命与超声非线性系数反函数。
根据本发明的又一方面，提供一种金属疲劳寿命评价方法，包括以下步骤：
输入样本金属疲劳试验数据，所述疲劳试验数据包括完全损坏循环NF次的数据，第Ni次试验数据中包含金属的超声非线性系数βi及衰减系数αi，其中，并将金属在Ni次试验中已使用寿命记录为/>；
将已使用寿命与超声非线性系数βi及衰减系数αi对应，建立评价关系：
接收实际测量的待判断寿命金属的超声非线性系数及衰减系数/>；并执行以下计算：
若所获的值仅有一个，则待判断寿命金属的寿命为：
若所获的值为/>,且使得/>，取：
，若/>则；若/>则/>或/>。
进一步地，对m组金属实施疲劳试验，将m组金属的寿命综合：
其中，表达为第k组的寿命与衰减系数反函数，/>表达为第k组的寿命与超声非线性系数反函数。
根据本发明的又一方面，提供了一种金属疲劳寿命评价系统，包括信息显示单元、处理单元及输入单元；
所述输入单元用于输入样本金属疲劳试验数据、实际测量的待判断寿命金属的超声非线性系数及衰减系数/>；
所述处理单元执行如权利要求1-7中的任一项所包括的金属疲劳寿命评价方法；
所述显示单元用于显示待判断寿命金属的寿命和/或根据/>绘制的曲线。
根据本发明的又一方面，提供了一种可读存储介质，其上具有可执行指令，当可执行指令被执行时，使得计算机执行所述金属疲劳寿命评价方法包括的操作。
根据本发明的又一方面，提供了一种计算设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器；以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行所述金属疲劳寿命评价方法包括的操作。
根据本发明实施例提供的技术方案，利用样本金属疲劳试验数据，同时建立已使用寿命与超声非线性系数β及衰减系数α的函数关系。通过超声非线性系数β及衰减系数α共同评价待判断寿命金属的已使用寿命。克服了目前，单独使用超声非线性系数β或衰减系数α都不能评价金属寿命的问题。提高了对金属已使用寿命，尤其是提高了金属产生裂纹前后的寿命判断。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是α-β-N曲线示意图；
图2是示例性的计算设备的结构框图；
图3示出根据本发明金属疲劳寿命评价方法示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
通过研究发现Q345钢的β值在1~2.5之间变化，一般在疲劳寿命的75%左右达到峰值2.5上下。从α-β-N曲线上可以看出，在疲劳寿命在0~75%的区域内，β是单调上升的，而在75%之后开始下降。因此可以用β来预测疲劳寿命0~75%的区域内。从前面的理论分析可以知道，当β到达峰值后，造成其下降的原因是由于出现了材料内部出现了裂纹。
当材料出现裂纹后，其衰减系数α显著增加，因此后期评价可以使用材料的超声衰减系数来评价。根据研究表明，在疲劳寿命的0~70-80%阶段，材料的超声衰减系数α没有明显的变化；但是在疲劳后期，由于裂纹出现，材料的超声衰减系数迅速增加直至最大值。事实上，我们可以采用比较的方法用于测定材料衰减的严重程度而不用测出它的衰减系数量值。当衰减系数α与α0比较急剧增加时，我们已经可以断定该构件已经出现裂纹了。
参见图1，图中纵坐标为归一化的非线性系数β和衰减系数α（注意两者的量纲是不同的）；横坐标以疲劳寿命的百分数N表示，即试样不同循环加载周次与出现宏观裂纹时加载总周次的比值；此曲线为α- β-N曲线。
曲线可以分为2个区域：区域(1)为疲劳寿命0%~75%区域，在此区域内β值呈现单调递增直到峰值，变化的幅度大约为原始未疲劳试样的β0的1~2.5倍左右；而此阶段α的变化很小，考虑到测量中的表面质量和耦合等误差，这种变化完全可以忽略。
因此在区域(1)内采用β来描述材料所处的疲劳寿命阶段。区域(2) 为疲劳寿命75%~100%区域，在此区域内β值呈现下降趋势；而此阶段α的变化急剧单调增加，与疲劳寿命呈现较为清晰的对应关系。因此在区域(2)内采用α值来描述材料所处的疲劳寿命阶段就较为合适了。
研究表明金属疲劳分为3个阶段：（1）在疲劳的开始阶段，材料内部的损伤主要表现为内部出现应力集中区域；（2）随着疲劳程度的进一步加深，位错开始出现并伴随着疲劳程度的加深密度变大；（3）当疲劳到一定程度以后，位错开始缠绕，材料内部出现滑移，进而微裂纹开始萌生直至宏观裂纹出现。
可见，对应于疲劳发展不同阶段的位错密度变化，α-β-N曲线的变化趋势是相似的：（1）在疲劳寿命的早期阶段，应力集中对超声非线性二次谐波的产生贡献较小，此时β值变化幅度较小；（2）在疲劳损伤的主要累积阶段，位错密度持续增加导致值变化幅度明显加大，直至峰值为2.5左右，说明此时试样的非线性系数βi达到了原始未疲劳试样的非线性系数β0的2.5倍以上；（3）在疲劳寿命的晚期，由于位错密度趋于饱和，此时材料内部出现大量微裂纹，裂纹的存在显著增强了材料的衰减系数。由于超声的衰减系数与频率的平方成正比，因此在由于位错引起的二次谐波幅度不变的情况下，由于材料对二次谐波幅度A2衰减大于对基波幅度A1的衰减，可知将造成非线性系数β随着裂纹数量的增加而减小。
上述试验表明，α-β-N曲线表征了材料的疲劳过程，如果事先对工件所用材料进行疲劳过程α-β-N曲线的测定或标定，则可以用来预测工件的疲劳寿命。因此，本发明利用以上原理提供了一种金属疲劳寿命评价方法、系统、介质及设备。
图2是布置为实现根据本发明的金属疲劳寿命评价方法的示例计算设备100的框图。在基本的配置102中，计算设备100典型地包括系统存储器106和一个或者多个处理器104。存储器总线108可以用于在处理器104和系统存储器106之间的通信。
取决于期望的配置，处理器104可以是任何类型的处理，包括但不限于：微处理器（µP）、微控制器（µC）、数字信息处理器（DSP）或者它们的任何组合。处理器104可以包括诸如一级高速缓存110和二级高速缓存112之类的一个或者多个级别的高速缓存、处理器核心114和寄存器116。示例的处理器核心114可以包括运算逻辑单元（ALU）、浮点数单元（FPU）、数字信号处理核心（DSP核心）或者它们的任何组合。示例的存储器控制器118可以与处理器104一起使用，或者在一些实现中，存储器控制器118可以是处理器104的一个内部部分。
取决于期望的配置，系统存储器106可以是任意类型的存储器，包括但不限于：易失性存储器（诸如RAM）、非易失性存储器（诸如ROM、闪存等）或者它们的任何组合。系统存储器106可以包括操作系统120、一个或者多个程序122以及程序数据128。在一些实施方式中，程序122可以被配置为在操作系统上由一个或者多个处理器104利用程序数据128执行指令。
计算设备100还可以包括有助于从各种接口设备（例如，输出设备142、外围接口144和通信设备146）到基本配置102经由总线/接口控制器130的通信的接口总线140。示例的输出设备142包括图形处理单元148和音频处理单元150。它们可以被配置为有助于经由一个或者多个A/V端口152与诸如显示终端或者扬声器之类的各种外部设备进行通信。示例外围接口144可以包括串行接口控制器154和并行接口控制器156，它们可以被配置为有助于经由一个或者多个I/O端口158和诸如输入设备（例如，键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备）或者其他外设（例如打印机、扫描仪等）之类的外部设备进行通信。示例的通信设备146可以包括网络控制器160，其可以被布置为便于经由一个或者多个通信端口164与一个或者多个其他计算设备162通过网络通信链路的通信。
网络通信链路可以是通信介质的一个示例。通信介质通常可以体现为在诸如载波或者其他传输机制之类的调制数据信号中的计算机可读指令、数据结构、程序模块，并且可以包括任何信息递送介质。“调制数据信号”可以是这样的信号，它的数据集中的一个或者多个或者它的改变可以在信号中编码信息的方式进行。作为非限制性的示例，通信介质可以包括诸如有线网络或者专线网络之类的有线介质，以及诸如声音、射频（RF）、微波、红外（IR）或者其它无线介质在内的各种无线介质。这里使用的术语计算机可读介质可以包括存储介质和通信介质二者。
计算设备100可以实现为小尺寸便携（或者移动）电子设备的一部分，这些电子设备可以是诸如蜂窝电话、个人数字助理（PDA）、个人媒体播放器设备、无线网络浏览设备、个人头戴设备、应用专用设备、或者可以包括上面任何功能的混合设备。计算设备100还可以实现为包括桌面计算机和笔记本计算机配置的个人计算机。
其中，计算设备100的一个或多个程序122包括用于执行根据本发明的一种金属疲劳寿命评价方法的指令。
图3示例性示出根据本发明金属疲劳寿命评价方法的流程图，建筑模型生成方法始于步骤S210。
步骤S210，输入样本金属疲劳试验数据，所述疲劳试验数据包括完全损坏循环NF次的数据，第Ni次试验数据中包含金属的超声非线性系数βi及衰减系数αi，其中，并将金属在Ni次试验中已使用寿命记录为/>。
步骤S220，在NF次试验时，金属完全损坏。可以认为此时的金属已使用寿命达到了100%。而在第Ni次试验时，通过获得此时已使用寿命占总寿命的百分比值。
在Ni次试验中，具有与之相对应的超声非线性系数βi及衰减系数αi。因此，可以将作为横坐标，将超声非线性系数βi及衰减系数αi的数值作为纵坐标绘制出评价曲线。采用评价曲线的反函数表达评价关系为：
步骤S230，接收实际测量的待判断寿命金属的超声非线性系数及衰减系数/>；并执行以下计算：
由于为非单调函数，/>有可能获得两个计算数值。而/>为单调函数。理论上，采用/>计算就能够获得金属的已经使用的寿命，但是经观察可知/>在疲劳寿命为0%~75%区域中，衰减系数α实质上是变化较小，甚至因为测量误差等因素产生波动，导致/>在疲劳寿命为0%~75%区域中也无法单调递增。需要对0%~75%区域中的金属疲劳度进行计算必须要使用/>，而在大于75%需要使用函数/>。为了便于计算机执行，本发明将判断方法简化为以下过程。
步骤S230实施方案一：
若所获的值仅有一个，则待判断寿命金属的寿命为：
若所获的值为/>。即/>具有多个计算值，导致/>为一个集合。由于在区域1和区域2中，/>具有一个较大的变化，因此可以通过比较/>、/>与/>的距离，获得/>是位于第1区域还是位于第2区域，作以下操作：
使得，比较/>、/>与/>的距离，若/>距离/>较近，则；若/>距离/>较近，则/>或/>。
步骤S230实施方案二：
若所获的值仅有一个，则待判断寿命金属的寿命为：
若所获的值为/>,且使得/>，取：
，若/>则；若/>则/>或/>。
根据观察，由于在区域1和区域2中，具有一个较大的变化，因此能够使用一个范围来确定/>落在了区域1还是区域2。在优选的实施方案中，所述K值为/>。
在步骤S220中，将超声非线性系数βi及衰减系数αi的数值作为纵坐标在同一图表上绘制评价曲线时，将会面临超声非线性系数β及衰减系数α数值差较大及单位不统一的问题。因此需要将归一化的超声非线性测量值作为β，归一化的衰减测量值作为α。使得β与α成为无量纲量。
具体地，β=第Ni次金属的超声非线性系数测量值/第N1次超声非线性系数测量值，即；α=第Ni次金属的衰减系数测量值/第N1次衰减系数测量值，即/>；归一化的评价关系为：
值得注意的是，在对单个样本金属进行疲劳试验获得评价方法，会具有一定的随机误差，需要使用多个样本对随机误差进行修正。本发明采用了m个样本金属实施疲劳试验，将m个金属的寿命综合：
其中，表达为第k组的寿命与衰减系数反函数，/>表达为第k组的寿命与超声非线性系数反函数。以上函数式的含义是，针对同一已使用寿命（如50%），获取该已使用寿命的各个样本金属测试获得的α值与β值，对获得的α值与β值求算术平均值。以算术平均值作为该已使用寿命下对应的α值与β值。
同时本发明提供了一种金属疲劳寿命评价系统，包括信息显示单元、处理单元及输入单元；
所述输入单元用于输入样本金属疲劳试验数据、实际测量的待判断寿命金属的超声非线性系数及衰减系数/>，所述处理单元执行所述金属疲劳寿命评价方法，所述显示单元用于显示待判断寿命金属的寿命/>和/或根据/>绘制的曲线。
当然，以上的金属疲劳寿命评价方法能够包含于可读存储介质中，存储介质上具有可执行指令，当可执行指令被执行时，使得计算机执行所述金属疲劳寿命评价方法包括的操作。
或者，以上的金属疲劳寿命评价方法能够包含于计算设备中，计算设备具有一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行所述金属疲劳寿命评价方法包括的操作。
应当理解，这里描述的各种技术可结合硬件或软件，或者它们的组合一起实现。从而，本发明的方法和设备，或者本发明的方法和设备的某些方面或部分可采取嵌入有形媒介，例如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器或者其它任意机器可读的存储介质中的程序代码(即指令)的形式，其中当程序被载入诸如计算机之类的机器，并被该机器执行时，该机器变成实践本发明的设备。
在程序代码在可编程计算机上执行的情况下，计算设备一般包括处理器、处理器可读的存储介质(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)，至少一个输入装置，和至少一个输出装置。其中，存储器被配置用于存储程序代码；处理器被配置用于根据该存储器中存储的该程序代码中的指令，执行本发明的各种方法。
以示例而非限制的方式，计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息。通信介质一般以诸如载波或其它传输机制等已调制数据信号来体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，并且包括任何信息传递介质。以上的任一种的组合也包括在计算机可读介质的范围之内。
应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该公开的目的的元素所执行的功能。
如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种金属疲劳寿命评价方法，其特征在于包括以下步骤：
输入样本金属疲劳试验数据，所述疲劳试验数据包括完全损坏循环NF次的数据，第Ni次试验数据中包含金属的超声非线性系数βi及衰减系数αi，其中i∈(1，F)，并将金属在Ni次试验中已使用寿命记录为
将已使用寿命与超声非线性系数βi及衰减系数αi对应，建立评价关系：
接收实际测量的待判断寿命金属的超声非线性系数βc及衰减系数αc；并执行以下计算：
若所获α′c的值仅有一个，则待判断寿命金属的寿命为：
FL＝fβ(βC)。
2.如权利要求1所述的一种金属疲劳寿命评价方法，其特征在于：β＝第Ni次金属的超声非线性系数测量值/第N1次超声非线性系数测量值；α＝第Ni次金属的衰减系数测量值/第N1次衰减系数测量值；归一化的评价关系为：
3.如权利要求1所述的一种金属疲劳寿命评价方法，其特征在于：对m组金属实施疲劳试验，将m组金属的寿命综合：
其中，表达为第k组的寿命与衰减系数反函数，/>表达为第k组的寿命与超声非线性系数反函数。
4.一种金属疲劳寿命评价系统，其特征在于：包括信息显示单元、处理单元及输入单元；
所述输入单元用于输入样本金属疲劳试验数据、实际测量的待判断寿命金属的超声非线性系数βc及衰减系数αc；
所述处理单元执行如权利要求1-3中的任一项所包括的金属疲劳寿命评价方法；
所述显示单元用于显示待判断寿命金属的寿命记录FL和/或根据绘制的曲线。
5.一种可读存储介质，其特征在于，其上具有可执行指令，当可执行指令被执行时，使得计算机执行如权利要求1-3的任一项所述的金属疲劳寿命评价方法。
6.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器；以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行如权利要求1-3中的任一项所述的金属疲劳寿命评价方法。
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