專利名稱：基于功率譜重心的az31鎂合金疲勞損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種疲勞損傷狀態(tài)的分析方法，更特別地說，是指一種采用聲發(fā)射技術(shù)以及功率譜重心法，對(duì)AZ31鎂合金的疲勞損傷狀態(tài)進(jìn)行表征及定量評(píng)估的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，鎂合金產(chǎn)品產(chǎn)量在全球的年增長(zhǎng)率高達(dá)20 %，成為備受關(guān)注的材料。鎂合金在交通工具、電子和通訊產(chǎn)品、航空航天、化工和機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域顯示出了極大的應(yīng)用前景。AZ31鎂合金，是指含A13%(wt%)、Znl%(wt%)的鎂合金，是目前商業(yè)化應(yīng)用最廣泛的變形鎂合金。AZ31鎂合金可以擠壓成棒材、管材、型材，可以軋制成薄板、厚板，也可以加工成鍛件，主要應(yīng)用于汽車、航空航天部件、兵器等方面。
AZ31鎂合金在服役后損傷是造成其失效的主要原因之一，為此要對(duì)其損傷狀態(tài)作出定量評(píng)估，及時(shí)、正確地評(píng)價(jià)AZ31鎂合金件的損傷等級(jí)，為其安全運(yùn)行及壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)。聲發(fā)射技術(shù)(Acoustic Emission Technique)因具有動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的損傷檢測(cè)。實(shí)踐表明，材料在受載荷作用時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的損傷，而損傷狀態(tài)的變化會(huì)導(dǎo)致聲發(fā)射波形信號(hào)特征發(fā)生一系列變化。例如在疲勞裂紋的擴(kuò)展模式發(fā)生變化時(shí)，，這些損傷狀態(tài)轉(zhuǎn)變都將引起聲發(fā)射波形信號(hào)幅度、相位、頻率的變化；因此可以利用聲發(fā)射技術(shù)作為監(jiān)測(cè)AZ31鎂合金承力件疲勞損傷狀態(tài)的工具。功率譜重心法是對(duì)時(shí)域信號(hào)利用傅里葉變換的方法對(duì)振動(dòng)的信號(hào)進(jìn)行分解，并按頻率順序展開，使其成為頻率的函數(shù)，將信號(hào)在時(shí)間域中的波形轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率域的功率譜，進(jìn)而在頻率域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行研究和處理的一種方法。功率譜重心分析通過功率譜得到信號(hào)的特征頻率，定量衡量信號(hào)的重心頻率，從而對(duì)不斷接收到的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)頻率的監(jiān)測(cè)和估計(jì)。以聲發(fā)射波形信號(hào)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的功率譜重心方法可獲得信號(hào)的重心頻率，因此可以將功率譜重心法應(yīng)用于疲勞損傷狀態(tài)的聲發(fā)射信號(hào)處理中，從而得到疲勞損傷狀態(tài)的定量表征與評(píng)估。AZ31鎂合金具有密排六方的晶體結(jié)構(gòu)，變形的機(jī)制有機(jī)械孿生和滑移兩種機(jī)制。變形機(jī)制不同，其聲發(fā)射信號(hào)的特征頻率不同；變形不同階段兩種機(jī)制的作用比例是不斷變化的，其復(fù)合聲發(fā)射信號(hào)含有兩種頻率的特征，但可以通過對(duì)重心頻率的計(jì)算來衡量?jī)煞N機(jī)制的對(duì)變形的不同貢獻(xiàn)，并以此判定疲勞損傷的階段。

發(fā)明內(nèi)容
為了減少AZ31鎂合金構(gòu)件在使用過程中疲勞損傷導(dǎo)致的突然斷裂造成的損失，本發(fā)明提出一種采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)在役AZ31鎂合金結(jié)構(gòu)件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到聲發(fā)射波形信號(hào)表示的疲勞損傷狀態(tài)信息，并采用功率譜重心方法對(duì)其疲勞損傷狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)估。應(yīng)用本發(fā)明的監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠?qū)Z31鎂合金結(jié)構(gòu)件疲勞損傷狀態(tài)進(jìn)行定量的評(píng)估判斷，從而做出預(yù)警，減少裝備及人員傷亡等損失。本發(fā)明的基于功率譜重心的在役AZ31鎂合金結(jié)構(gòu)件疲勞損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)由原始波形信號(hào)提取單元(I)、疲勞損傷狀態(tài)矩陣分析單元(2)、疲勞損傷等級(jí)評(píng)定單元(3)和預(yù)警單元(4)組成；其中，疲勞損傷狀態(tài)矩陣分析單元(2)由疲勞損傷狀態(tài)幅值分析模塊(21)和疲勞損傷狀態(tài)功率譜分析模塊(22)組成；所述的疲勞損傷狀態(tài)功率譜分析模塊(22)由疲勞損傷信號(hào)時(shí)頻轉(zhuǎn)換模塊(22A)和疲勞損傷信號(hào)功率譜重心計(jì)算模塊(22B)組成；原始波形信號(hào)提取單元(I)對(duì)接收的多路傳感信息Sn進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出聲發(fā)射波形信息fQ (T)； 疲勞損傷狀態(tài)幅值分析模塊(21)依據(jù)電壓幅值關(guān)系A(chǔ) = 201ogVmax-40對(duì)聲發(fā)射波形信息fo(T)進(jìn)行處理，得到疲勞損傷狀態(tài)信號(hào)幅值A(chǔ) ;疲勞損傷信號(hào)時(shí)頻轉(zhuǎn)換模塊(22A)采用傅里葉變換對(duì)聲發(fā)射波形信息f(|(T)進(jìn)行處理，得到頻譜估計(jì)的功率譜信息ω (F);疲勞損傷信號(hào)功率譜重心計(jì)算模塊(22Β)對(duì)接收到的功率譜信息ω (F)依據(jù)功率譜重心關(guān)系
/2 (CoinxndF
Fpsc=jHrf,-進(jìn)行處 ，得到疲勞損傷信號(hào)功率譜重心FPS。；由疲勞損傷信號(hào)幅
[WW
值A(chǔ)和疲勞損傷信號(hào)功率譜重心Fps。共同構(gòu)成了反映AZ31結(jié)構(gòu)件疲勞損傷狀態(tài)的疲勞損傷狀態(tài)矩陣K= [A，F(xiàn)pse]，然后將疲勞損傷狀態(tài)矩陣K= [A,FPSC]傳遞給疲勞損傷等級(jí)評(píng)定單元(3)；疲勞損傷等級(jí)評(píng)定單元(3)對(duì)K = [A，F(xiàn)psJ進(jìn)行疲勞損傷狀態(tài)評(píng)定；預(yù)警單元(4)接收到報(bào)警啟動(dòng)信號(hào)后，觸發(fā)啟動(dòng)開關(guān)輸出提示音。本發(fā)明基于功率譜重心分析法對(duì)AZ31鎂合金疲勞損傷狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估的系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于(A)本發(fā)明使用功率譜重心分析方法，將聲發(fā)射波形信息定量化，得到了反映AZ31結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷狀態(tài)的定量參數(shù)。(B)本發(fā)明結(jié)合聲發(fā)射信號(hào)幅值與功率譜重心方法，提出了 AZ31鎂合金的疲勞損傷狀態(tài)矩陣，疲勞損傷狀態(tài)矩陣通過疲勞損傷聲發(fā)射信號(hào)幅值和疲勞損傷信號(hào)功率譜重心重心兩個(gè)參量共同對(duì)疲勞損傷狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，使得評(píng)定結(jié)果精確可靠，大大減小了錯(cuò)誤的概率。(C)對(duì)疲勞損傷下的AZ31鎂合金承力件進(jìn)行了疲勞損傷等級(jí)的劃分和鑒定?？梢院?jiǎn)單易行地對(duì)未知疲勞損傷狀態(tài)的AZ31鎂合金結(jié)構(gòu)件做出疲勞損傷狀態(tài)、疲勞損傷程度的評(píng)價(jià)。(D)使用本發(fā)明可以對(duì)工況下的AZ31鎂合金結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)可及時(shí)預(yù)警，因此可以大大減少人員財(cái)產(chǎn)的損失，保證安全以及經(jīng)濟(jì)效益。


圖I是聲發(fā)射儀與多個(gè)傳感器連接的簡(jiǎn)示圖。圖2是聲發(fā)射儀中存儲(chǔ)有AZ31鎂合金疲勞損傷狀態(tài)定量評(píng)估系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2A是本發(fā)明疲勞損傷狀態(tài)矩陣分析單元結(jié)構(gòu)框圖。
圖3是聲發(fā)射波形信息示意圖。圖4是本發(fā)明的功率譜圖。
權(quán)利要求
1.一種基于功率譜重心的在役AZ31鎂合金結(jié)構(gòu)件疲勞損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由原始波形信號(hào)提取單元(I)、疲勞損傷狀態(tài)矩陣分析單元(2)、疲勞損傷等級(jí)評(píng)定單元(3)和預(yù)警單元(4)組成； 其中，疲勞損傷狀態(tài)矩陣分析單元(2)由疲勞損傷狀態(tài)幅值分析模塊(21)和疲勞損傷狀態(tài)功率譜分析模塊(22)組成；所述的疲勞損傷狀態(tài)功率譜分析模塊(22)由疲勞損傷信號(hào)時(shí)頻轉(zhuǎn)換模塊(22A)和疲勞損傷信號(hào)功率譜重心計(jì)算模塊(22B)組成； 原始波形信號(hào)提取單元(I)對(duì)接收的多路傳感信息Sn進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出聲發(fā)射波形/[目息 f0 (T)； 疲勞損傷狀態(tài)幅值分析模塊(21)依據(jù)電壓幅值關(guān)系A(chǔ) = 201ogVmax-40對(duì)聲發(fā)射波形信息L(T)進(jìn)行處理，得到疲勞損傷狀態(tài)信號(hào)幅值A(chǔ) ;疲勞損傷信號(hào)時(shí)頻轉(zhuǎn)換模塊(22A)采用傅里葉變換對(duì)聲發(fā)射波形信息4(T)進(jìn)行處理，得到頻譜估計(jì)的功率譜信息ω (F);疲勞損傷信號(hào)功率譜重心計(jì)算模塊(22Β)對(duì)接收到的功率譜信息ω (F)依據(jù)功率譜重心關(guān)系
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于功率譜重心的在役AZ31鎂合金結(jié)構(gòu)件疲勞損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于疲勞損傷狀態(tài)矩陣K = [A, FpsJ中A e Ai^Fpsc e Fi，則評(píng)定為疲勞損傷等級(jí)C(K) = i ； 其中，C(K)為疲勞損傷等級(jí)信息，i為疲勞損傷等級(jí)，即該疲勞損傷狀態(tài)的疲勞損傷等級(jí)為第i級(jí)； Ai是第i級(jí)疲勞損傷的特定疲勞損傷狀態(tài)信號(hào)幅值，即疲勞損傷等級(jí)C(K) = i時(shí)，有A e Ai ； Fi是第i級(jí)疲勞損傷的特定疲勞損傷狀態(tài)功率譜重心頻率，即疲勞損傷等級(jí)C(K) = i時(shí)，有 FpscGFi; 當(dāng)疲勞損傷狀態(tài)矩陣K = [A, Fpsc]不滿足等級(jí)評(píng)定條件A e ApFpse e Fi時(shí)，做為野值加以剔除。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于功率譜重心的AZ31鎂合金疲勞損傷狀態(tài)表征與定量評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)的原始波形信號(hào)提取單元(1)對(duì)多路傳感信息Sn進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出聲發(fā)射波形信息fO(T)；疲勞損傷狀態(tài)矩陣分析單元(2)處理輸出疲勞損傷狀態(tài)矩陣K＝[A，F(xiàn)PSC]給疲勞損傷等級(jí)評(píng)定單元(3)和預(yù)警單元(4)進(jìn)行評(píng)定和報(bào)警。本發(fā)明通過聲發(fā)射技術(shù)對(duì)在役AZ31鎂合金結(jié)構(gòu)件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到聲發(fā)射信號(hào)表示的疲勞損傷狀態(tài)信息，并采用功率譜重心法對(duì)其疲勞損傷狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)估，并評(píng)定疲勞損傷等級(jí)。應(yīng)用本發(fā)明能夠?qū)Z31鎂合金結(jié)構(gòu)件疲勞損傷狀態(tài)進(jìn)行直觀、定量、實(shí)時(shí)的評(píng)估判斷，從而做出預(yù)警，減少裝備及人員傷亡等損失。
文檔編號(hào)G01N29/14GK102890121SQ20121037570
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者駱紅云, 孫傳凱, 韓志遠(yuǎn), 張崢, 鐘群鵬 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)