CN117268961A - 一种金属零部件的疲劳失效预警方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属零部件的疲劳失效预警方法，该待检测试样的两相对侧分别开设沿厚度方向延伸的凹口，将具有凹口的所在区域设定为待检测试样的未来疲劳断裂位置，将探头固定于该待检测试样上，获取未来疲劳断裂位置的增量磁导率信号；并保持探头监测位置以及给高频激励线圈和低频激励线圈通电的电压不变，分别记录不同疲劳次数所对应的增量磁导率信号；最后分别不同提取增量磁导率信号特征值；从各个增量磁导率信号特征值与疲劳次数之间的关系曲线中获取随疲劳次数变化的突跃点，将该突跃点所对应的疲劳次数作为待检测试样的失效预警点，将MIPmean曲线作为待检测试样疲劳断裂的临界线该方法对疲劳损伤敏感，可有效地表征疲劳损伤产生发展全过程。
Description
技术领域
本发明涉及金属零部件的疲劳失效技术领域，尤其涉及一种金属零部件的疲劳失效预警方法。
背景技术
金属零部件被广泛应用于各种技术领域上，比如应用于汽车上，该金属零部件的疲劳耐久性是影响汽车性能的主要指标之一，在正常行驶工况下，车辆经常处于一个相当复杂的振动环境中，不仅需承受路面冲击载荷的反复作用，同时还受到各种制动力、驱动力和侧向力的影响，极易产生疲劳破坏，造成车辆零部件尤其承受高压的液压传动元件（如蓄能器）失效断裂，甚至引发意外事故。据统计，绝大部分汽车零部件破坏都是由疲劳载荷引发的。
疲劳破坏是一个因局部疲劳损伤长期累积引起的延时断裂，如何高效、准确地在线评估或监测早期疲劳损伤一直是工程领域亟待解决的技术难题。常见的射线、磁粉、渗透、超声和涡流等无损检测技术均难以对金属零部件疲劳损伤量化评估和在线监测，并且红外热成像法、脉冲涡流热成像和声发射法等损伤监测技术对疲劳裂纹萌生前的早期损伤敏感度较低。
微磁性无损检测技术利用铁磁材料的磁滞性能（如矫顽力、磁导率和剩磁等）对显微结构变化和应力变形有非常敏感的特性，在监测金属零部件的断裂和疲劳行为、量化评价疲劳损伤程度方面具有很大的潜力。常见的磁性无损检测技术有磁巴克豪森噪声(MBN)法、磁声发射(MAE)法、漏磁技术(MFL)法和金属磁记忆(MMM)法等对疲劳损伤成核与扩展不敏感，无法对零部件实时运行状况进行有效监测，起不到失效预警的作用，实际应用价值不高，因此有必要提出一种有效、方便和准确的结构损伤监测技术，用于汽车关键零部件早期疲劳损伤预警或使用寿命预测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术，而提供一种对早期疲劳损伤敏感，可有效地表征疲劳损伤产生发展全过程的金属零部件的疲劳失效预警方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种金属零部件的疲劳失效预警方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、制作金属零部件，将该金属零部件作为待检测试样，并在该待检测试样的两相对侧分别开设沿该待检测试样的厚度方向延伸的凹口；
S2、将具有凹口的所在区域设定为上述待检测试样的未来疲劳断裂位置，并将该未来疲劳断裂位置作为增量磁导率信号采集点；
S3、将探头固定于该待检测试样上，所述探头包括U型磁芯、高频激励线圈、低频激励线圈和提取线圈，所述高频激励线圈、低频激励线圈和提取线圈均绕制在U型磁芯上，所述U型磁芯的敞口朝向待检测试样并与该待检测试样相接触，并使该U型磁芯的敞口的中心线位于所述具有凹口的所在区域上，给高频激励线圈和低频激励线圈通电，高频激励线圈通电后产生的高频磁场与低频激励线圈通电后产生的低频磁场相叠加，并用能测量增量磁导率信号的测量设备对提取线圈输出的信号进行处理，从而获取待检测试样的增量磁导率信号采集点的增量磁导率信号；
S4、保持探头监测位置和给高频激励线圈和低频激励线圈通电的电压不变，然后分别记录对待检测试样的未来疲劳断裂位置施加不同疲劳次数的疲劳试验下所采集到的增量磁导率信号，直至待检测试样的未来疲劳断裂位置最终出现疲劳；
S5、分别提取不同增量磁导率信号特征值MIPn1%，MIPn2%，… MIPna%和MIPmean，其中MIPn1%为n1%的包络线宽度，即：增量磁导率信号幅值为最大幅值的n1%对应的曲线宽度；MIPn2%为n2%的包络线宽度，即：增量磁导率信号幅值为最大幅值的n2%对应的曲线宽度；MIPna%为na%的包络线宽度，即：增量磁导率信号幅值为最大幅值的na%对应的曲线宽度；n1%、n2%... na%∈(0%，100%)，a为预设值；mean为一个激励周期内增量磁导率信号的幅值均值，MIPmean为增量磁导率信号幅值为mean对应的曲线宽度；
S6、绘制步骤S5中各个增量磁导率信号特征值与疲劳次数之间的关系曲线，并获取所有关系曲线中随疲劳次数变化的突跃点，将该突跃点所对应的疲劳次数作为待检测试样的疲劳失效预警点，并将MIPmean曲线作为待检测试样疲劳断裂的临界线，MIPmean的计算公式为：MIPmean=1.716e-28exp(h/1468.26)-0.05975，其中h为疲劳次数。
优选地，所述高频磁场的频率是低频磁场的频率的100倍以上。
为了使待检测试样局部达到饱和磁化状态，所述步骤S3中对于使待检测试样完整磁化的外磁场最大值Hmax需大于待检测试样材料的矫顽力值，并且高频磁场和低频磁场叠加而产生的磁场强度增量ΔH低于待检测试样材料的矫顽力值一半。
优选地，所述步骤S4中通过加速疲劳试验机对待检测试样进行加速疲劳试验，即步骤S4中具体过程为：保持探头监测位置不变，使用加速疲劳试验机对待检测试样施加h次加速疲劳试验，h为正整数，并在h次加速疲劳试验完成后，给高频激励线圈和低频激励线圈通电，则获取当前疲劳次数所对应的增量磁导率信号；依次使h取不同的数值，从而分别得到不同疲劳次数所对应的增量磁导率信号。
较优的是，所述凹口的中部还设有沿该待检测试样的厚度方向延伸的凹槽，所述U型磁芯的敞口的中心线与该凹槽的中心线相重合，以提高检测效率。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过使用增量磁导率信号特征值表征疲劳损伤演化全过程，在开始试验时，增量磁导率信号特征值发生少许波动，此后一直平稳发展，损伤萌生；在增量磁导率信号特征值开始出现明显的突跃时，可作为疲劳失效预警点，微裂纹形成并扩展，一直持续到增量磁导率信号特征值达到最大值时，发生疲劳失效破坏。因此该方法对疲劳损伤敏感，可有效地表征疲劳损伤产生发展全过程。
附图说明
图1为本发明实施例中待检测试样的俯视图；
图2为图1的正视图上放置探头后的示意图；
图3为本发明实施例中各个增量磁导率信号特征值与疲劳次数之间的关系曲线图；
图4为本发明实施例中不同疲劳次数下MIPmean信号曲线图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一种金属零部件的疲劳失效预警方法包括如下步骤：
S1、制作金属零部件1，将该金属零部件1作为待检测试样，并在该待检测试样的两相对侧分别开设沿该待检测试样的厚度方向延伸的凹口11；
本实施例中金属零部件1为长条体，该凹口11优选设计为U形；金属零部件1选用车辆常用零部件材料45#钢，并且表面光滑平整；如图1所示为本实施例中的待检测试样；
S2、将具有凹口的所在区域（该所在区域是指图1中用双点划线A示出的待检测试样部分）设定为上述待检测试样的未来疲劳断裂位置，并将该未来疲劳断裂位置作为增量磁导率信号采集点；
该待检测试样的未来疲劳断裂位置最常见的为凹口的中央位置；本实施例中，图1中所示凹口11中央位置还开设有凹槽12，该凹槽12所在区域作为该待检测试样的未来疲劳断裂位置；
S3、将探头2固定于该待检测试样上，图中该探头放置在待检测试样的上表面上，请参见图1，该探头包括U型磁芯21、高频激励线圈22、低频激励线圈23和提取线圈24，高频激励线圈22、低频激励线圈23和提取线圈24均绕制在U型磁芯21上， U型磁芯21的敞口朝向待检测试样并与该待检测试样的上表面相接触，并使该U型磁芯21的敞口的中心线L1位于具有凹口的所在区域上，为了提高测试效率，图1和图2中将U型磁芯21的敞口的中心线记为L1，将凹槽12的中心线即为L2，L1与L2相重合。使用时，给高频激励线圈22和低频激励线圈23通电，高频激励线圈22通电后产生的高频磁场与低频激励线圈23通电后产生的低频磁场相叠加，并用能测量增量磁导率信号的测量设备对提取线圈24输出的信号进行处理，从而获取待检测试样的增量磁导率信号采集点的增量磁导率信号；
本实施例中探头的结构如图2所示，低频磁场叠加高频磁场的过程中，低频磁场的频率可设置为50 Hz ~1000Hz，高频磁场的频率可设置为10kHz~100kHz，优选的，高频磁场的频率是低频磁场的频率的100倍以上；为使待检测试样局部达到饱和磁化状态，对于使待检测试样完整磁化的外磁场最大值Hmax需大于待检测试样材料的矫顽力值，并且高频磁场和低频磁场叠加而产生的磁场强度增量ΔH低于待检测试样材料的矫顽力值一半，才能保证磁畴壁不会移动，避免对磁化曲线造成影响。在低频交变电磁场中，位移电流与磁场对时间的相对变化可忽略，也不需要考虑磁致伸缩效应的影响，其动态磁化可近似为静态磁化处理；上述的测量设备为专门测量增量磁导率信号的仪器，为现有技术，在此不再展开赘述；
S4、保持探头监测位置以及给高频激励线圈和低频激励线圈通电的电压不变，分别记录对待检测试样的未来疲劳断裂位置施加不同疲劳次数的疲劳试验下所采集到的增量磁导率信号，直至待检测试样的未来疲劳断裂位置最终出现疲劳；
通过加速疲劳试验机对待检测试样进行加速疲劳试验，本实施例中加速疲劳试验机为现有的电液伺服液压系统，加载应力幅度为0.8s y~1.5s y，频率为10Hz；即该步骤S4中具体过程为：保持探头监测位置不变，使用加速疲劳试验机对待检测试样施加h次加速疲劳试验，h为正整数，并在h次加速疲劳试验完成后，给高频激励线圈和低频激励线圈通入同样的电，则获取当前疲劳次数所对应的增量磁导率信号；依次使h取不同的数值，从而分别得到不同疲劳次数所对应的增量磁导率信号。
另外增量磁导率的推导过程为：
根据法拉第感应定律，提取线圈中的感应电动势与所加磁通量随时间变化率成正比，可表示如下
（1）
其中，e表示感应电动势，单位为V；f表示磁通量，单位为Wb；考虑到提取线圈与高频激励线圈、低频激励线圈的位置非常接近，其磁场相互叠加，根据法拉第感应定律，感应电动势e可写成：
（2）
（3）
其中，为提取线圈的截面积，/>为提取线圈的有效截面积，/>是提取线圈的匝数，/>是磁通密度，/>是真空磁导率，/>是磁场强度；
对感应电动势进行积分，得到输出电压为：
（4）
其中，为电阻；/>为电容；t 1和t 2可根据叠加磁场引起的小磁滞环的尺寸来设定，对公式(4)进行变换得到：
（5）
其中，和/>分别表示磁通密度和磁场强度在t 1~t 2间隔的积分值，此时的磁场强度大小介于H0和H0+DH之间。当提取线圈未接触铁磁材料样品（/>=0）时，其输出电压为：
（6）
假设提取线圈区域内的磁场是均匀分布的，其磁场强度H仅取决于线圈中的电流强度I。结合式(5)和(6)，在检测和未检测状态下提取线圈的输出电压比值：
（7）
对式(7)重新组合排列，所有可测量的参数都在等号右侧，可得到
（8）
增量磁导率的计算公式为:
（9）
增量磁导率的大小取决于提取线圈的尺寸和输出电压；
S5、分别提取不同增量磁导率信号特征值MIPn1%，MIPn2%，… MIPna%和MIPmean，其中MIPn1%为n1%的包络线宽度，即：增量磁导率信号幅值为最大幅值的n1%对应的曲线宽度；MIPn2%为n2%的包络线宽度，即：增量磁导率信号幅值为最大幅值的n2%对应的曲线宽度；MIPna%为na%的包络线宽度，即：增量磁导率信号幅值为最大幅值的nm%对应的曲线宽度；n1%、n2%... na%∈(0%，100%)，a为预设值；mean为一个激励周期内增量磁导率的幅值均值，MIPmean为增量磁导率信号幅值为mean对应的曲线宽度；
本实施例中a的取值为3，n1%=75%，n2%=50%，n3%=25%，即分别提取增量磁导率信号特征值MIP75%，MIP50%、MIP25%和MIPmean；
上述增量磁导率信号特征值是描述增量磁导率信号时间或空间分布情况的最常见的参数，包络线宽度的计算公式如下：
其中，W为波宽，表示包络线宽度；n为门限值与信号峰值的比值，n=25%，50%，75%...；c为门限函数，N为一组磁导率信号中超门限值D的采样点数，为一个空间域的电磁信号序列，m=0，1，2...；门限值D为常数，一般根据实际电磁信号噪音和灵敏度设定；
mean的计算公式为：
在本发明中将MIPmean作为判断零部件早期疲劳损伤的依据；
S6、绘制步骤S5中各个增量磁导率信号特征值与疲劳次数之间的关系曲线，并获取所有关系曲线中随疲劳次数变化的突跃点，将该突跃点所对应的疲劳次数作为待检测试样的疲劳失效预警点，并将MIPmean曲线作为待检测试样疲劳断裂的临界线；MIPmean的计算公式为：MIPmean=1.716e-28exp(h/1468.26)-0.05975，其中h为疲劳次数。
本实施例中通过对曲线进行拟合的方式获取MIPmean的计算公式，本实施例中每个关系曲线如图3所示，一般来说，金属零部件的疲劳失效断裂是一个渐进过程，但仅从位移或变形曲线根本无法判断失效的起始点，给不出准确的预警信号。比如循环多少次，待检测试样内部开始出现微裂纹，离最终的断裂还有多少时间。通过试验结果显示，现有技术中的磁巴克豪森(MBN)、切向磁场谐波(HA)、多频涡流(MFE)和磁滞回线(HL)等参量对疲劳损伤成核与扩展不敏感，起不到疲劳失效预警的作用。
如图3所示，增量磁导率MIP对壳体疲劳损伤非常灵敏，可有效地表征疲劳损伤产生发展的全过程，开始试验时，MIP信号出现少许波动，此后一直平稳发展，损伤萌生。在疲劳循环次数达到80000时，各个MIP信号开始出现明显的突跃，故可作为失效预警点，微裂纹形成并扩展，一直持续到疲劳循环次数为92896时，发生失效破坏，此时位移或变形曲线变化最大，MIP信号特征值也最大。总的来说，MIP75%，MIP 50%，MIP 25%和MIP mean曲线均可表征疲劳损伤演化全过程，但MIPmean特征值发展似乎更稳定，比较适合用于车辆悬架缓冲蓄能器的在线监测平台。并从图4中来看，不同载荷作用下，MIPmean信号均出现类似的变化趋势， 因此MIPmean均值用做金属零部件失效预警具有普适性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种金属零部件的疲劳失效预警方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、制作金属零部件(1)，将该金属零部件作为待检测试样，并在该待检测试样的两相对侧分别开设沿该待检测试样的厚度方向延伸的凹口(11)；
S2、将具有凹口的所在区域设定为上述待检测试样的未来疲劳断裂位置，并将该未来疲劳断裂位置作为增量磁导率信号采集点；
S3、将探头(2)固定于该待检测试样上，所述探头(2)包括U型磁芯(21)、高频激励线圈(22)、低频激励线圈(23)和提取线圈(24)，所述高频激励线圈(22)、低频激励线圈(23)和提取线圈(24)均绕制在U型磁芯(21)上，所述U型磁芯的敞口朝向待检测试样并与该待检测试样相接触，并使该U型磁芯的敞口的中心线(L1)位于所述具有凹口的所在区域上，给高频激励线圈和低频激励线圈通电，高频激励线圈通电后产生的高频磁场与低频激励线圈通电后产生的低频磁场相叠加，并用能测量增量磁导率信号的测量设备对提取线圈输出的信号进行处理，从而获取待检测试样的增量磁导率信号采集点的增量磁导率信号；
S4、保持探头监测位置以及给高频激励线圈和低频激励线圈通电的电压不变，然后分别记录对待检测试样的未来疲劳断裂位置施加不同疲劳次数的疲劳试验下所采集到的增量磁导率信号，直至待检测试样的未来疲劳断裂位置最终出现疲劳；
S5、分别提取不同增量磁导率信号特征值MIPn1%，MIPn2%，… MIPna%和MIPmean，其中MIPn1%为n1%的包络线宽度，即：增量磁导率信号幅值为最大幅值的n1%对应的曲线宽度；MIPn2%为n2%的包络线宽度，即：增量磁导率信号幅值为最大幅值的n2%对应的曲线宽度；MIPna%为na%的包络线宽度，即：增量磁导率信号幅值为最大幅值的na%对应的曲线宽度；n1%、n2%... na%∈(0%，100%)，a为预设值；mean为一个激励周期内增量磁导率信号的幅值均值，MIPmean为增量磁导率信号幅值为mean对应的曲线宽度；
S6、绘制步骤S5中各个增量磁导率信号特征值与疲劳次数之间的关系曲线，并获取所有关系曲线中随疲劳次数变化的突跃点，将该突跃点所对应的疲劳次数作为待检测试样的疲劳失效预警点，并将MIPmean曲线作为待检测试样疲劳断裂的临界线，MIPmean的计算公式为：MIPmean=1.716e-28exp(h/1468.26)-0.05975，其中h为疲劳次数。
2.根据权利要求1所述的疲劳失效预警方法，其特征在于：所述高频磁场的频率是低频磁场的频率的100倍以上。
3.根据权利要求2所述的疲劳失效预警方法，其特征在于：所述步骤S3中对于使待检测试样完整磁化的外磁场最大值Hmax需大于待检测试样材料的矫顽力值，并且高频磁场和低频磁场叠加而产生的磁场强度增量ΔH低于待检测试样材料的矫顽力值一半。
4.根据权利要求1~3任一项所述的疲劳失效预警方法，其特征在于：所述步骤S4中通过加速疲劳试验机对待检测试样进行加速疲劳试验，即步骤S4中具体过程为：保持探头监测位置不变，使用加速疲劳试验机对待检测试样施加h次加速疲劳试验，h为正整数，并在h次加速疲劳试验完成后，给高频激励线圈和低频激励线圈通电，则获取当前疲劳次数所对应的增量磁导率信号；依次使h取不同的数值，从而分别得到不同疲劳次数所对应的增量磁导率信号。
5.根据权利要求1~3任一项所述的疲劳失效预警方法，其特征在于：所述凹口(11)的中部还设有沿该待检测试样的厚度方向延伸的凹槽(12)，所述U型磁芯的敞口的中心线与该凹槽(12)的中心线相重合。
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