CN114112633A - 一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测方法及系统，包括：金属试件经分阶段的疲劳加载后，对不同疲劳寿命阶段进行非线性超声检测，得到非线性响应信号；提取非线性响应信号的基波和三次谐波，以此得到三阶非线性系数，根据三阶非线性系数构建早期疲劳损伤模型；获取金属试件金相分析后在不同疲劳寿命阶段的微观组织演化信息；基于微观组织演化信息和早期疲劳损伤模型反演被测金属的疲劳状态，得到被测金属的疲劳检测结果。基于非线性响应信号中的基波和三次谐波，得到非线性特征参数；基于试件的微观组织演化，建立早期疲劳损伤演化与非线性特征参数的识别映射关系，实现早期损伤的准确识别和评估。

Description

一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测方法及系统
技术领域
本发明涉及金属早期疲劳损伤检测技术领域，特别是涉及一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
铝合金材料应用广泛，在航天航空，轨道交通等领域是关键部件的常用材料。在长期服役期间，不仅会产生疲劳损伤，而且会发生老化、腐蚀等形式的早期损伤，从而引起力学性能下降，结构强度降低导致部件结构失效。因此，开展铝合金材料早期损伤的评估、诊断，以及预警，具有重要的工程意义。
目前，对于早期金属疲劳损伤监测国内外研究较多，主要包括超声导波、电磁和激光三种常用检测方法。超声导波的优势：损耗小，传播距离远，成本低。超声导波包含线性超声和非线性超声，许多研究者研究证明，非线性超声导波检测方法相较于其他方法，对于金属材料微小损伤及结构早期疲劳性能退化的更为敏感，检测灵敏度更高。但是基于非线性超声的金属材料的早期疲劳损伤的状态检测研究尚处于起步阶段，因此开展非线性超声早期疲劳损伤检测具有极其重要的意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测方法及系统，基于非线性响应信号中的基波和三次谐波，得到非线性特征参数；基于试件的微观组织演化，建立早期疲劳损伤演化与非线性特征参数的识别映射关系，实现早期损伤的准确识别和评估。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测方法，包括：
金属试件经分阶段的疲劳加载后，对不同疲劳寿命阶段进行非线性超声检测，得到非线性响应信号；
提取非线性响应信号的基波和三次谐波，以此得到三阶非线性系数，根据三阶非线性系数构建早期疲劳损伤模型；
获取金属试件金相分析后在不同疲劳寿命阶段的微观组织演化信息；
基于微观组织演化信息和早期疲劳损伤模型反演被测金属的疲劳状态，得到被测金属的疲劳检测结果。
作为可选择的实施方式，三阶非线性系数的获取过程包括：根据超声导波在金属的传播特性得到超声导波的频散曲线，基于频散曲线提取基波和三次谐波。
作为可选择的实施方式，基于超声导波的频散曲线得到基波与三次谐波相速度匹配的模态，以此提取基波和三次谐波。
作为可选择的实施方式，三阶非线性系数的获取过程包括：根据三次谐波幅值与基波幅值的比值得到三阶非线性系数。
作为可选择的实施方式，在对金属试件进行经分阶段的疲劳加载过程包括，对标准金属试件进行疲劳加载，直至标准金属试件断裂，则疲劳加载次数为疲劳总寿命；对疲劳总寿命进行划分后，对金属试件进行经分阶段的疲劳加载。
作为可选择的实施方式，三阶非线性系数的获取过程包括：对非线性响应信号采用带通滤波器进行小波降噪处理后，提取基波和三次谐波。
作为可选择的实施方式，通过构建微观组织演化信息和早期疲劳损伤模型的映射关系，反演疲劳状态。
第二方面，本发明提供一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测系统，包括：
非线性超声检测模块，被配置为金属试件经分阶段的疲劳加载后，对不同疲劳寿命阶段进行非线性超声检测，得到非线性响应信号；
模型构建模块，被配置为提取非线性响应信号的基波和三次谐波，以此得到三阶非线性系数，根据三阶非线性系数构建早期疲劳损伤模型；
微观演化模块，被配置为获取金属试件金相分析后在不同疲劳寿命阶段的微观组织演化信息；
疲劳检测模块，被配置为基于微观组织演化信息和早期疲劳损伤模型反演被测金属的疲劳状态，得到被测金属的疲劳检测结果。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明针对力学性能、非线性耦合机制较复杂的早期疲劳损伤，提出一种适用于金属早期疲劳损伤的非线性超声检测方法，利用非线性导波谐波特性，对早期疲劳损伤的性能退化进行直观的非线性表征，适用于大型设备关键部件的状态监测。
本发明提出基于三次谐波相速度匹配的非线性早期疲劳损伤检测，三次谐波信号对于结构部件早期退化更加敏感，弥补线性超声导波检测精度低的不足，降低维护维修的费用和提高运营安全性，具有灵敏度高、检测范围广、抗干扰能力强的优点。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的频散曲线(相速度)示意图；
图2为本发明实施例1提供的基于非线性超声的铝合金材料结构检测流程示意图；
图3为本发明实施例1提供的标准试件尺寸示意图；
图4为本发明实施例1提供的非线性超声早期疲劳损伤的评估模型。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
本实施例提供一种基于非线性超声三次谐波相速度匹配的金属早期损伤检测方法，包括：金属试件经分阶段的疲劳加载后，对不同疲劳寿命阶段进行非线性超声检测，得到非线性响应信号；提取非线性响应信号的基波和三次谐波，以此得到三阶非线性系数，根据三阶非线性系数构建早期疲劳损伤模型；获取金属试件金相分析后在不同疲劳寿命阶段的微观组织演化信息；基于微观组织演化信息和早期疲劳损伤模型反演被测金属的疲劳状态，得到被测金属的疲劳检测结果。
本实施例以铝合金材料为例，具体阐述实现步骤：
S1：根据超声导波在铝合金材料的传播特性，分析超声导波的频散曲线，得到基波与三次谐波相速度匹配的模态；
具体地，(1)频散方程：
Figure BDA0003377912660000061
其中，+1表示对称S模态，-1表示反对称A模态。
由频散方程绘制频散曲线，如图1所示，从频散曲线可以看出，S1模态与S3模态满足相速度匹配，相速度为6.356km/s；S1模态的频厚积3.57MHz·mm，S3模态的频厚积10.71MHz·mm。
(2)对导波响应信号进行FFT变换，提取基波和三次谐波幅值，以求解三阶非线性系数：
Figure BDA0003377912660000062
其中，A1为基波幅值，A3为三次谐波。
S2：在早期疲劳损伤金属试件上设置传感器，构建非线性超声检测系统；
具体地，1)构建非线性超声检测系统，包括早期疲劳损伤试件、压电陶瓷传感器PZT(2片)、高功率波形发生器、50欧姆电阻、6dB衰减器和示波器，如图2所示。
2)利用疲劳试验机制备早期疲劳损伤金属试件，最大力为10kN，应力比为0.1，加载频率为15Hz。
3)采用环氧树脂AB胶，将压电传感器粘贴在早期疲劳损伤金属试件表面，粘贴位置以及尺寸大小如图3所示。
S3：根据被测对象的厚度确定激励信号频率；
S4：对不同疲劳寿命的早期损伤铝合金材料采用非线性超声检测系统进行非线性超声检测实验，获取“一发一收”的非线性响应信号；
具体地，1)根据铝合金材料的材料力学特性，设置疲劳加载条件，取标准金属试件T1，开展疲劳试验，疲劳加载至试件断裂，疲劳加载次数为疲劳总寿命；
2)预制早期疲劳损伤金属试件T2，对早期疲劳损伤金属试件T2分阶段进行疲劳加载，疲劳寿命分为10％-90％，间隔10％，对每个疲劳阶段进行非线性超声检测，获得非线性响应信号；
3)为了保证数据的可靠性，选取早期疲劳损伤金属试件T3-T5进行重复试验，获取四组非线性响应信号。
S5：对非线性响应信号基于两个带通滤波器进行小波降噪处理，提取基波和三次谐波信号，然后对其进行傅里叶变换，获取基波A1和三次谐波A3，代入公式(2)得到三阶非线性系数；根据获得的四组三阶非线性系数，利用回归拟合算法，建立早期损伤疲劳评估模型。
S6：根据以上设置的疲劳寿命阶段，设置10％-90％，间隔20％，进行不同疲劳寿命的微观组织演化分析；
具体地，1)取早期疲劳损伤金属试件T6-T10，分别进行疲劳加载，疲劳寿命设置为10％-90％，间隔20％。
2)对获得的早期疲劳损伤金属试件进行金相分析，获得不同疲劳寿命试件的微观组织演化信息，分析其微观组织演化规律。
S7：根据早期损伤疲劳评估模型和疲劳微观组织，建立不同疲劳微观组织与疲劳损伤的评估映射关系，反演材料疲劳状态，进行铝合金早期损伤状态的识别与评估。
本实施例基于超声导波的频散曲线，利用超声导波的相速度匹配模态，通过提取超声导波响应信号中的基波和三次谐波，计算非线性特征参数；分析疲劳试件的微观组织演化，建立早期疲劳损伤演化与超声非线性特征参数的识别映射模型，实现早期损伤的准确识别和评估。
实施例2
本实施例提供一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测系统，包括：
非线性超声检测模块，被配置为金属试件经分阶段的疲劳加载后，对不同疲劳寿命阶段进行非线性超声检测，得到非线性响应信号；
模型构建模块，被配置为提取非线性响应信号的基波和三次谐波，以此得到三阶非线性系数，根据三阶非线性系数构建早期疲劳损伤模型；
微观演化模块，被配置为获取金属试件金相分析后在不同疲劳寿命阶段的微观组织演化信息；
疲劳检测模块，被配置为基于微观组织演化信息和早期疲劳损伤模型反演被测金属的疲劳状态，得到被测金属的疲劳检测结果。
此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
在更多实施例中，还提供：
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。
实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测方法，其特征在于，包括：
金属试件经分阶段的疲劳加载后，对不同疲劳寿命阶段进行非线性超声检测，得到非线性响应信号；
提取非线性响应信号的基波和三次谐波，以此得到三阶非线性系数，根据三阶非线性系数构建早期疲劳损伤模型；
获取金属试件金相分析后在不同疲劳寿命阶段的微观组织演化信息；
基于微观组织演化信息和早期疲劳损伤模型反演被测金属的疲劳状态，得到被测金属的疲劳检测结果。
2.如权利要求1所述的一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测方法，其特征在于，三阶非线性系数的获取过程包括：根据超声导波在金属的传播特性得到超声导波的频散曲线，基于频散曲线提取基波和三次谐波。
3.如权利要求2所述的一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测方法，其特征在于，基于超声导波的频散曲线得到基波与三次谐波相速度匹配的模态，以此提取基波和三次谐波。
4.如权利要求1所述的一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测方法，其特征在于，三阶非线性系数的获取过程包括：根据三次谐波幅值与基波幅值的比值得到三阶非线性系数。
5.如权利要求1所述的一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测方法，其特征在于，在对金属试件进行经分阶段的疲劳加载过程包括，对标准金属试件进行疲劳加载，直至标准金属试件断裂，则疲劳加载次数为疲劳总寿命；对疲劳总寿命进行划分后，对金属试件进行经分阶段的疲劳加载。
6.如权利要求1所述的一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测方法，其特征在于，三阶非线性系数的获取过程包括：对非线性响应信号采用带通滤波器进行小波降噪处理后，提取基波和三次谐波。
7.如权利要求1所述的一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测方法，其特征在于，通过构建微观组织演化信息和早期疲劳损伤模型的映射关系，反演疲劳状态。
8.一种基于非线性超声的金属早期疲劳损伤检测系统，其特征在于，包括：
非线性超声检测模块，被配置为金属试件经分阶段的疲劳加载后，对不同疲劳寿命阶段进行非线性超声检测，得到非线性响应信号；
模型构建模块，被配置为提取非线性响应信号的基波和三次谐波，以此得到三阶非线性系数，根据三阶非线性系数构建早期疲劳损伤模型；
微观演化模块，被配置为获取金属试件金相分析后在不同疲劳寿命阶段的微观组织演化信息；
疲劳检测模块，被配置为基于微观组织演化信息和早期疲劳损伤模型反演被测金属的疲劳状态，得到被测金属的疲劳检测结果。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。
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