CN204758542U - 一种金属结构的裂纹的检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种金属结构的裂纹的检测装置，包括用于检测处于动态扩展状态裂纹的声发射仪和用于检测处于静态未扩展状态裂纹的超声波探伤仪，所述声发射仪包括声发射传感器、信号处理系统和声发射采集系统，所述声发射传感器设置在待检测的金属结构上，所述声发射传感器获取的信号经信号处理系统处理后传输至声发射采集系统中。本实用新型采用超声波探伤仪与声发射仪进行协同检测，通过声发射仪实现了裂纹动态扩展状态的检测，通过超声波探伤仪实现了裂纹的定位与静态未扩展裂纹的检测，提高了裂纹检测的精度，改善了基于裂纹扩展理论进行疲劳寿命预测的可靠性。

Description

一种金属结构的裂纹的检测装置

技术领域

本实用新型涉及裂纹检测领域，尤其是一种金属结构的裂纹的检测装置。

背景技术

中国发明专利CN103389341A，公开了一种风力机叶片裂纹检测方法，其包括有以下步骤：首先在风力机叶片上安装声发射传感器,并将接收到的声发射信号传递给声发射采集系统,确定信号的采样频率、采样长度、滤波频率等采集参数；然后基于Shannon小波熵优化Morlet小波基函数的带宽参数,得到与扩展裂纹和萌生裂纹声发射信号特征匹配的Morlet小波基函数,再计算声发射信号的重分配尺度谱判断裂纹状态,即通过Shannon小波熵优化和重分配尺度谱信号处理的程序提取风力机叶片扩展裂纹和萌生裂纹声发射信号的时频特征参数；接着根据所提取的裂纹声发射信号的时频特征参数来判定裂纹故障的扩展状态。该发明能够快速准确地检测叶片裂纹动态扩展的状态，保证风力机叶片的安全性和高效性，但是该发明只能检测裂纹的动态扩展状态，而无法检测处于静态未扩展的裂纹状态。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种金属结构的裂纹的检测装置，以解决现有技术中只能检测动态扩展裂纹而不可检测静态未扩展的裂纹状态的问题。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种金属结构的裂纹的检测装置，包括用于检测处于动态扩展状态裂纹的声发射仪和用于检测处于静态未扩展状态裂纹的超声波探伤仪，所述声发射仪包括声发射传感器、信号处理系统和声发射采集系统，所述声发射传感器设置在待检测的金属结构上，所述声发射传感器获取的信号经信号处理系统处理后传输至声发射采集系统中。

进一步地，所述金属结构为钢结构。

进一步地，所述金属结构为起重机械钢结构。

进一步地，所述声发射仪为全波形声发射仪。

进一步地，所述声发射传感器采用压电陶瓷材料。

进一步地，所述声发射仪还包括前置放大器，所述前置放大器分别与声发射传感器及信号处理系统连接。

进一步地，所述超声波探伤仪为脉冲反射式超声波探伤仪。

本实用新型提供了一种金属结构的裂纹的检测装置，采用超声波探伤仪与声发射仪进行协同检测，通过声发射仪实现了裂纹的动态扩展状态的检测，通过超声波探伤仪实现了裂纹的定位与静态未扩展裂纹的检测，此外，通过多次检测还可获取裂纹的扩展速率，从而提高了裂纹检测的精度，改善了基于裂纹扩展理论进行疲劳寿命预测的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的裂纹检测的原理图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本实用新型的具体实施方式进行详细的描述。根据下列描述并结合权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

本实用新型提供了一种金属结构的裂纹的检测装置，包括用于检测处于动态扩展状态裂纹的声发射仪和用于检测处于静态未扩展状态裂纹的超声波探伤仪，所述声发射仪包括声发射传感器、信号处理系统和声发射采集系统，所述声发射传感器设置在待检测的金属结构上，所述声发射传感器获取的信号经信号处理系统处理后传输至声发射采集系统中。

所述金属结构为钢结构。在本实施例中，所述金属结构为起重机械钢结构，所述声发射仪为全波形声发射仪，所述声发射传感器采用压电陶瓷材料，所述声发射仪还包括前置放大器，所述前置放大器分别与声发射传感器及信号处理系统连接，所述超声波探伤仪为脉冲反射式超声波探伤仪。

在应用本实用新型实施例提供的金属结构的裂纹的检测装置时，需要适应性地提供相应的操作方法，如图1所示，该方法的思路为：

采用超声波探伤仪对起重机械的钢结构进行裂纹检测，识别裂纹的具体位置；

采用声发射仪对存在裂纹的位置进行检测，判断裂纹是否处于动态扩展状态；

针对基于超声波与声发射协同检测技术的多传感器信号，采用非权重MonteCarlo法采集样本，对采集的信息进行数据融合，获得高置信度的检测结果，将检测的结果与理论和有限元分析的结果进行比较，验证该协同检测技术的精度。

对于处于动态扩展的裂纹，一定时间后再次进行声发射检测，测试裂纹扩展后的尺寸，从而确定裂纹的动态扩展特性。

具体地，该方法的实际过程为：

(1)以金属试样为研究对象，以断裂力学为基础，优化基函数建立影响裂纹扩展的响应面模型；再建立其三维裂纹扩展有限元模型，通过显式非线性静态分析和模态分析，获取该试样裂纹萌生、扩展的动力学特性和特征参量。

(2)以金属试样为研究对象，分别采用超声波探伤仪、声发射仪进行裂纹检测，研究采集静、动态裂纹特征信号的最优方案；基于两者协同的检测技术，对裂纹的萌生、扩展过程进行检测。

超声波检测原理：

声压P、声强I之间的关系如下式：

$I=\frac{1}{2}\frac{P_m^2}{\mathrm{\ρ}C}$

其中P_m为声压最大振幅；ρ为介质密度；C为声速。

超声波探伤仪根据缺陷返回的超声信号的声压与声强来判断缺陷大小，超声信号的声压越高，示波屏上显示的回波也就越高，据此判断缺陷的当量值也越大。采用超声波探伤仪检测到的回波信号不能确定具体的缺陷，因此采用超声波探伤仪检测出裂纹、未焊透、未熔合等缺陷都是概率性事件。

声发射检测原理：

将声发射信号看成阻尼正弦波，则有V＝V_pe^-βtsinωt

式中，V为瞬时电压；V_p为峰值电压；ω为角频率；β为衰减系数；t为时间。

信号的能量E为：

$E=\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{V}^2\left(t\right)dt$

式中，R为电压测量线路的输入阻抗；V(t)为与时间有关的电压；

声发射信号幅度可用于量度声发射信号的能量。f(V)表示幅度位于V_i和V_i+1之间的声发射事件数分布，则

F(V_i)为峰值高于V_i的事件数。

声发射事件总数与裂纹长度之间存在良好的对应关系，声发射事件总数越大，裂纹长度越长，但两者不是线性关系。

采用超声波探伤仪进行检测，可确定试样存在稳定状态裂纹的概率，当试样中存在失稳扩展状态的裂纹时，则采用声发射仪进行检测，根据一定周期内的声发射时间总数值的不同，确定裂纹扩展的速率。

(3)针对基于超声波与声发射协同检测技术的多传感器信号，采用非权重MonteCarlo法采集样本，对采集的信息进行数据融合，获得高置信度的检测结果。将检测的结果与理论和有限元分析的结果进行比较，验证该协同检测技术的精度。当精度满足要求时，则作为大型起重机械裂纹检测的方案；当精度达不到要求时，则重新修正基于超声波与声发射协同的检测技术，直至满足要求。

对于稳定状态的裂纹、未焊透、未熔合等缺陷，超声波检测的结果具有随机性，各种缺陷的概率服从均匀分布；对于裂纹长度的检测，声发射事件总数与长度之间采用指数分布的概率统计。

采用MonteCarlo法将这些概率分布的随机数产生基于均匀分布U(0,1)的随机数。

超声波检测的声压P服从均匀分布U(0,1)，而声发射检测的结果需进行如下转换：

设裂纹长度为X，则声发射事件总数的分布函数F(x)为

F(x)＝1-e^-x/λ

则F^-1(y)＝-λlog(1-y)，即X＝-λlog(1-U)，

其中，U服从均匀分布。

因为1-U和U都服从均匀分布，故转化为：

X＝-λlog(U)

U的伪随机数采用线性同余生成器生成，即

x_i+1＝ax_imodm

u_i＝x_i/m

其中a为乘因子，为整数；m为模数；两个系数的取值需根据具体检测的结果确定。

最后将超声波检测与声发射检测的两种信号进行概率统计，最终获得置信度为δ的裂纹长度及扩展率。

超声波技术在裂纹检测中，假设检出的概率为p，检出裂纹的分布律为：

f(x，p)＝p^x(1-p)^1-x

取10个试样，检测出有裂纹的试样为m，则p＝m/10，计算出置信度为δ的置信区间为(p₁，p₂)。

声发射技术在裂纹检测中，取10个试样，试样由线性同余生成器确定参数，通过声发射事件总数和裂纹长度的检测结果，拟合出F(x)＝1-e^-x/λ的具体方程。取某一试样，采用声发射技术进行多次检测，则声发射事件总数服从正态分布，由此计算出置信度为δ的置信区间为(q₁，q₂)。

综合以上两种技术的检测结果，进行数据融合，则本方法检测出某一裂纹长度的置信度为δ的概率为p(1-e^-x/λ)。

(4)根据(1)获取的裂纹的初始长度、应力强度因子等特征参量，以Paris裂纹扩展理论得出裂纹的扩展速率方程；根据(2)和(3)检测的裂纹的长度值，与裂纹扩展方程计算出的长度值比较，修正裂纹扩展的方程，从而获得精确的裂纹扩展速率方程，再根据裂纹的临界长度，得出置信度为δ的疲劳寿命置信区间。

综上，根据裂纹检测的结果，可得出如下内容：

1)钢结构是否存在裂纹；

2)裂纹尖端的应力强度因子；

3)裂纹是否处于动态扩展状态；

4)裂纹扩展的动态特性，从而预测疲劳断裂的时间。

本实用新型提供了一种金属结构的裂纹的检测装置，采用超声波探伤仪与声发射仪进行协同检测，通过声发射仪实现了裂纹动态扩展状态的检测，通过超声波探伤仪实现了裂纹的定位与静态未扩展裂纹的检测，此外，通过多次检测还可获取裂纹的扩展速率，从而提高了裂纹检测的精度，改善了基于裂纹扩展理论进行疲劳寿命预测的可靠性。

上述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不对本实用新型起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的技术方案的范围内，对本实用新型揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本实用新型的技术方案的内容，仍属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种金属结构的裂纹的检测装置，其特征在于，包括用于检测处于动态扩展状态裂纹的声发射仪和用于检测处于静态未扩展状态裂纹的超声波探伤仪，所述声发射仪包括声发射传感器、信号处理系统和声发射采集系统，所述声发射传感器设置在待检测的金属结构上，所述声发射传感器获取的信号经信号处理系统处理后传输至声发射采集系统中。

2.如权利要求1所述的金属结构的裂纹的检测装置，其特征在于，所述金属结构为钢结构。

3.如权利要求2所述的金属结构的裂纹的检测装置，其特征在于，所述金属结构为起重机械钢结构。

4.如权利要求1所述的金属结构的裂纹的检测装置，其特征在于，所述声发射仪为全波形声发射仪。

5.如权利要求1所述的金属结构的裂纹的检测装置，其特征在于，所述声发射传感器采用压电陶瓷材料。

6.如权利要求1所述的金属结构的裂纹的检测装置，其特征在于，所述声发射仪还包括前置放大器，所述前置放大器分别与声发射传感器及信号处理系统连接。

7.如权利要求1所述的金属结构的裂纹的检测装置，其特征在于，所述超声波探伤仪为脉冲反射式超声波探伤仪。