基于Volterra級數(shù)的舊機械零件內部損傷檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于Volterra級數(shù)的舊機械零件內部損傷檢測方法，包括以下步驟：在自由邊界支承下對待檢測舊零件用脈沖力錘進行脈沖激勵；根據(jù)輸入檢測信號以及相應的響應信號辨識出系統(tǒng)的Volterra非線性模型，并給出系統(tǒng)的非線性輸出頻率響應函數(shù)估算式；由低3階非線性輸出頻率響應函數(shù)構建敏感指標函數(shù)，根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)估算敏感指標函數(shù)的實測值；通過系列試驗檢驗敏感指標函數(shù)對舊零件內部損傷檢測的靈敏度，重構敏感指標函數(shù)，優(yōu)選更適應的敏感指標函數(shù)；根據(jù)由實測信號數(shù)據(jù)得到的非線性特征敏感指標函數(shù)值，對舊零件內部缺陷進行評估，建立舊零件再制造的分類準則。適用于對批量舊零件的方便、快捷、準確地檢測。
【專利說明】基于Volterra級數(shù)的舊機械零件內部損傷檢測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機械制造再制造工程中舊機械零件內部損傷的檢測方法，特別涉及基于Volterra級數(shù)的舊機械零件內部損傷檢測方法，適用于對批量舊零件的方便、快捷、準確地檢測。
【背景技術】
[0002]再制造是一項戰(zhàn)略性新興產業(yè)，再制造技術的提高可保證產品質量和性能不低于新品，甚至還超過新品，但成本只是新品的50%，節(jié)能60%，節(jié)材70%，對環(huán)境的不良影響顯著降低。要推進制造業(yè)的節(jié)能減排，必須大力發(fā)展再制造工程。再制造工程中，對廢舊零件進行評估后再制造是最節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保的方式。
[0003]機械零件在其服役過程中經(jīng)受的疲勞、蠕變、磨損、腐蝕、熱損傷等累積，可能外觀和內部都存在損傷缺陷(如微裂紋)，外觀損傷容易發(fā)現(xiàn)和處理，而內部損傷缺陷則靜靜地隱藏其中、不易發(fā)現(xiàn)，但決定其再用壽命。如何將這些內部損傷或缺陷(如微裂紋)檢測出來，將是再制造的關鍵和保障。
[0004]為了確保再制造的質量，必須對每一件再制造的舊零件進行檢測，很顯然，繁雜的、費用高的檢測方法是不適用的，必須尋找一種方便、高效、低成本的檢測評估方法。
[0005]傳統(tǒng)的損傷檢測方法，如超聲波、渦流、光與熱方法、磁場法、引導聲波技術包括Lamb波等，通常都只能檢測零件結構表面及其附近的損傷，且工作量大、耗費高。對舊零部件壽命預估的研究，十分活躍，發(fā)展了多種方法。如電阻檢測、磁記憶檢測、熱像分析法等，都有一定效果，但其試驗過程復雜、費用比較昂貴，壽命預測精度和實際壽命有較大差距；利用有限元模擬計算預測壽命，能夠在一定程度上解決試驗周期長、耗費巨大的問題，但預測精度依賴于對服役條件了解的準確程度。顯然，這些方法不能滿足再制造工程中對每一件舊零件進行檢測的大批量作業(yè)。
[0006]由于機械結構及其零部件振動的模態(tài)參數(shù)(比如固有頻率、振型和模態(tài)阻尼)是其物理參數(shù)(如質量，剛度和阻尼)的函數(shù)，因此物理參數(shù)的變化必然導致振動模態(tài)參數(shù)的變化。通過測試振動模態(tài)(如固有頻率、固有振型和模態(tài)阻尼)的改變來分析內部損傷，采用振型模態(tài)的導數(shù)可延伸出其它分析技術，如曲率模態(tài)、應變模態(tài)等，這些方法的優(yōu)點是能反映出損傷的位置信息。缺點是，固有頻率變化對損傷的靈敏度不高，小損傷甚至不會引起低階頻率發(fā)生明顯的改變；發(fā)生損傷時，模態(tài)不滿足正交條件；發(fā)生微小的損傷(比如小于5%)時，剛度和柔度都沒明顯變化；需要非常密集測點等。不能滿足舊零件的內部損傷檢測的要求。
[0007]斷裂力學理論與聲發(fā)射檢測相結合的方法，主要是對設備零部件在役過程中產生聲發(fā)射進行監(jiān)測，建立其與應力強度因子、疲勞裂紋萌生和擴展等因素的關系，并由累積聲發(fā)射振鈴計數(shù)與時間關系曲線檢測疲勞累積損傷及評估壽命。這不適用于拆卸下來、不再承受載荷的舊零件的損傷檢測。
[0008]近年，許多學者提出了利用非線性振動方法來進行損傷檢測。例如，Tsyfanskii(Tsyfanskii S.L., Magone M.A., Ozhiganov V.Μ., Using nonlinear effects todetect cracks in the rod elements of structures[J], The Soviet Journal ofNondestructive Testing, 1998,21: 224-229.)研究棒的振動響應時發(fā)現(xiàn)棒的非線性因素對裂紋(非常小的裂紋)的存在非常敏感，Bovsunovsky和Surce證實了這一點，并且指出非線性因素對裂紋的存在比固有頻率或模態(tài)振型敏感(Bovsunovsky A.P., Surace C.，Considerations regarding super harmonic vibrations of a cracked beam and thevariation in damping caused by the presence of the crack[J].Journal of Soundand Vibration, 2005, 288(4-5):865-886.)D Tsyfanskii 提出了一種用于檢測非線性彈性梁疲勞裂紋的新方法，該方法后來被用于檢測機翼是否存在裂紋。另外，為了更好地利用系統(tǒng)的非線性特征來對結構進行損傷檢測，研究人員還采用了現(xiàn)代的信號處理方法例如小波變換方法、高階譜方法來檢測裂紋是否存在，發(fā)現(xiàn)雙譜分析結果對頻率混疊比較敏感，而且對于噪聲的存在具有魯棒性，而頻率混疊是由結構中的裂紋產生，所以可以用雙譜分析來檢測梁中是否有裂紋存在。可見，采用非線性分析方法以及新的信號處理方法對損傷檢測具有重要的意義(Guan D.Q., Zhong X.L., Ying H.ff., Research on Sheet CrackIdentification of Frame Structure Using Wavelet Analysis[J].Applied Mechanicsand Materials, 2011， 71:4074-4077.Liu L., Dong D.S., Structural Crack Detection Using Hilbert-Huang TransformMethod and Wavelet Analysis[J].Applied Mechanics and Materials, 2012,105:710-713.)。 [0009]Volterra級數(shù)具有時域和頻域兩種表示形式，有明確的物理意義，不依賴于系統(tǒng)的輸入，因而完全反映了系統(tǒng)的本質特性，是一種十分有效的非線性模型，很多非線性系統(tǒng)都可以用該級數(shù)模型表示(胡海巖，孟慶國，張偉等.動力學、振動與控制學科未來的發(fā)展趨勢[J].力學進展.2002，32:294-306.)?
[0010]綜上所述，還沒有見到采用Volterra模型檢測再制造中舊零件損傷缺陷的研究報道，但已有的研究與實踐，為我們建立基于Volterra非線性模型的舊零件內部損傷檢測的方便、快捷和準確的方法提供了理論和實踐基礎。

【發(fā)明內容】

[0011]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種把經(jīng)過外部探傷設備檢測后無外部裂紋、無外部損傷的舊零件內部可能存在的損傷缺陷檢測出來，并對其評估分類，只讓評估合格的舊零件進入下一步再制造，提高再制造質量和效益的基于Volterra級數(shù)的舊機械零件內部損傷檢測方法。
[0012]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:把舊零件置于自由邊界條件下，用脈沖力錘錘擊舊零件，并通過分別布置于舊零件不同位置的振動傳感器檢測舊零件對錘擊的響應信號，基于Volterra非線性模型建立測試信號的分析方法,構建對舊零件損傷最敏感的指標函數(shù)，實現(xiàn)對舊零件內部損傷方便、快捷和準確地檢測?；赩olterra級數(shù)的舊機械零件內部損傷檢測方法具體步驟包括:
第一步:在自由邊界支承下對待檢測舊零件用脈沖力錘進行脈沖激勵。
[0013]第二步:根據(jù)輸入檢測信號以及相應的響應信號辨識出系統(tǒng)的Volterra非線性模型，并給出系統(tǒng)的非線性輸出頻率響應函數(shù)估算式。
[0014]第三步:由低3階非線性輸出頻率響應函數(shù)構建敏感指標函數(shù)，根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)估算敏感指標函數(shù)的實測值。
[0015]第四步:通過系列試驗檢驗敏感指標函數(shù)對舊零件內部損傷檢測的靈敏度，重構敏感指標函數(shù)，優(yōu)選更適應的敏感指標函數(shù)。
[0016]第五步:根據(jù)由實測信號數(shù)據(jù)得到的非線性特征敏感指標函數(shù)值，對舊零件內部缺陷進行評估，建立舊零件再制造的分類準則，把舊零件分成再制造新零件、用于維修配件、材料回收等三類。
[0017]上述操作步驟中還應包括脈沖錘擊試驗、試件和典型舊零件的疲勞試驗，分述如下:
脈沖錘擊試驗:對模擬零件和舊零件采用自由邊界無約束彈性支承，用脈沖力錘激勵使其達到共振或臨界共振，即使其振動響應達到最大，在其上優(yōu)選多個測量點布置加速度傳感器，拾取其在脈沖激勵下的輸出響應。將對一批處于疲勞成核、微裂紋形成、宏觀裂紋擴展、最后斷裂四個階段舊零件試件(可預置裂紋)分別進行脈沖錘擊試驗。通過該試驗，研究舊零件的自由邊界無約束彈性支承方式、激勵位置及激勵強度優(yōu)選、振動響應測試傳感器及測點優(yōu)選等，包括錘擊阻抗頭及振動傳感器校正、信號預處理的低通濾波、模擬舊零件內部損傷缺陷的預置及其錘擊試驗、舊零件的固有頻率及振型分析等。為舊零件內部損傷缺陷檢測的錘擊試驗制訂規(guī)范試驗方法，并為后續(xù)研究提供試驗測試信號及必要對比分析數(shù)據(jù)。
[0018]標準試件疲勞試驗:采用標準三點彎曲試樣加載過程聲發(fā)射監(jiān)測實驗，結合斷口掃描電鏡觀察及X射線能譜分析，考察舊零件的典型材料(如45號鋼)延性斷裂的整個物理過程，分析在疲勞成核、微裂紋形成、宏觀裂紋擴展、最后斷裂四個階段的聲發(fā)射特征，結合斷裂力學對四個階段的機理進行分析。通過試件疲勞試驗，獲得在四個階段的模擬零件試件，為脈沖錘擊試驗提供模擬零件。
[0019]典型舊零件(如曲軸)的疲勞試驗:采用曲軸疲勞試驗機對經(jīng)過脈沖錘擊試驗進行過內部損傷非線性檢測后的舊曲軸進行疲勞試驗，獲得舊曲軸實際的疲勞壽命，建立和完善非線性指標函數(shù)值與疲勞壽命的關系，采用置信區(qū)間檢驗方法確定再用分類的閥值。
[0020]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點有:
1、方法新穎，高效快捷。由于本發(fā)明是利用脈沖力錘激勵、各種計算估計方法已編制成便捷的計算軟件直接計算，相對于現(xiàn)有的掃描類探傷方法有新穎性，而且安裝好傳感器進行錘擊測試后即可計算出結果，得到評估分類的結論，具有高效快捷的優(yōu)點。
[0021]2、檢測全面，質量可靠。由于本發(fā)明是對舊零件在自由邊界無約束彈性支承下用脈沖力錘激勵使其達到共振或臨界共振，并優(yōu)選多個測量點布置加速度傳感器拾取其在脈沖激勵下的輸出響應，相對于現(xiàn)有的掃描類檢測方法是不會有檢測不到位的情況，可實現(xiàn)全面檢測；測試信號是反應舊零件機械力學性能的變化，是直接對其機械力學性能的檢測，因而檢測質量更可靠。
[0022]3、操作簡單，成本較低。本發(fā)明針對某具體的舊零件檢測，在進行脈沖錘擊試驗、試件和舊零件的疲勞試驗后即可建立試驗規(guī)范，按試驗規(guī)范就可以批量地實現(xiàn)對舊零件進行檢測。檢測操作，相對簡單，檢測成本較低，可以實現(xiàn)對大批量的舊零件進行逐個的全面檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1本發(fā)明的實施技術路線示意圖。
【具體實施方式】
[0024]為了更加詳細的介紹本發(fā)明，下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0025]按圖1所示的技術路線實施本發(fā)明。主要技術路線是:針對具體的舊零件，首先，通過疲勞試驗獲得處于疲勞成核、微裂紋形成、宏觀裂紋擴展、最后斷裂四個階段的試件作為模擬零件，進行錘擊試驗獲得含有內部損傷信息的測試信號；基于Volterra級數(shù)模型建立信號檢測與分析方法，對測試信號進行分析，構建對內部損傷敏感的指標函數(shù)，根據(jù)試驗測試信號分析結果，優(yōu)化指標函數(shù)，實現(xiàn)對內部損傷的檢測；把經(jīng)過檢測的試件再進行疲勞試驗，獲得其剩余壽命，建立對內部損傷敏感的指標函數(shù)值與剩余壽命的關系，建立再用分類的評估方法。具體說明如下:
(I)試驗研究包括脈沖錘擊試驗、試件和典型舊零件的疲勞試驗。
[0026]脈沖錘擊試驗:對模擬零件和舊零件采用自由邊界無約束彈性支承，用脈沖力錘激勵使其達到共振或臨界共振，即使其振動響應達到最大，在其上優(yōu)選多個測量點布置加速度傳感器，拾取其在脈沖激勵下的輸出響應。將對一批處于疲勞成核、微裂紋形成、宏觀裂紋擴展、最后斷裂四個階段舊零件(如舊曲軸，可預置裂紋)分別進行脈沖錘擊試驗。通過該試驗，研究舊零件的自由邊界無約束彈性支承方式、激勵位置及激勵強度優(yōu)選、振動響應測試傳感器及測點優(yōu)選等，包括錘擊阻抗頭及振動傳感器校正、信號預處理的低通濾波、模擬舊零件內部損傷缺陷的預置及其錘擊試驗、舊零件的固有頻率及振型分析等。為舊零件內部損傷缺陷檢測的錘擊試驗制訂規(guī)范試驗方法，并為后續(xù)研究提供試驗測試信號及必要對比分析數(shù)據(jù)。
[0027]標準試件疲勞試驗:采用標準三點彎曲試樣加載過程聲發(fā)射監(jiān)測實驗，結合斷口掃描電鏡觀察及X射線能譜分析，考察舊零件典型材料(如45號鋼)延性斷裂的整個物理過程，分析在疲勞成核、微裂紋形成、宏觀裂紋擴展、最后斷裂四個階段的聲發(fā)射特征，結合斷裂力學對四個階段的機理進行分析。通過試件疲勞試驗，獲得在四個階段的模擬零件試件，為脈沖錘擊試驗提供模擬零件。
[0028]典型舊零件(如曲軸)的疲勞試驗:采用曲軸疲勞試驗機對經(jīng)過脈沖錘擊試驗進行過內部損傷非線性檢測后的舊曲軸進行疲勞試驗，獲得舊曲軸實際的疲勞壽命，建立和完善非線性指標函數(shù)值與疲勞壽命的關系，采用置信區(qū)間檢驗方法確定再用分類的閥值。
[0029](2)基于Volterra級數(shù)的脈沖錘擊響應信號的非線性檢測模型構建。
[0030]針對舊零件內部損傷的弱非線性，我們選擇3階Volterra級數(shù)作為分析模型，推導出脈沖激勵下單輸入多輸出系統(tǒng)的廣義頻率響應函數(shù)和非線性輸出頻響函數(shù)及其估算方法。
[0031]利用試驗的輸入、輸出數(shù)據(jù)辨識出模型之后，驗證該辨識的模型是否能夠有效地表示其動力特性顯得尤為重要。我們擬采用基于互相關函數(shù)與自相關函數(shù)的模型有效性驗證方法來驗證辨識得到模型的有效性。[0032](3)基于Volterra級數(shù)的舊零件內部損傷非線性檢測方法
通過實驗測試數(shù)據(jù)的廣義頻率響應函數(shù)和非線性輸出頻率響應函數(shù)的分析研究，探索其對舊零件在疲勞成核、微裂紋形成、宏觀裂紋擴展、最后斷裂等不同狀態(tài)的非線性檢測，及對典型舊零件裂紋的非線性檢測，計算得到的非線性輸出頻率響應函數(shù)值將可作為衡量裂紋大小的指標，裂紋越大、越明顯，非線性輸出頻率響應函數(shù)的值將越大。由各階非線性輸出頻率響應函數(shù)構造不同形式的對舊零件內部損傷敏感的指標函數(shù)，由測試信號計算得到的指標函數(shù)值將反應舊零件內部損傷程度。
[0033](4)再用分類評估方法
根據(jù)基于Volterra級數(shù)的舊零件內部損傷非線性檢測方法，對舊零件進行脈沖錘擊試驗研究，獲取相關的非線性特征敏感指標函數(shù)值，然后再把舊零件進行疲勞試驗，進一步研究非線性特征敏感指標函數(shù)值與舊零件的疲勞壽命相關性，建立由舊零件內部缺陷測試得到的非線性特征敏感指標函數(shù)值及其他相關因素的評估模型，探索評估舊零件可否再制造的方法，建立舊零件再制造的分類準則，正確區(qū)分出再制造新零件、用于維修配件、材料回收等三類，實現(xiàn)對舊零件可否再制造的分類評估。
[0034](5)根據(jù)試驗研究，建立脈沖力錘激勵舊零件進行內部損傷檢測的試驗規(guī)范，編寫對批量舊零件進行內部損傷檢測的軟件程序和操作指導，實現(xiàn)對批量舊零件的高效快捷、質量可靠、成本較低的適于生產線的檢測。
[0035]實施例1
選取45號鋼舊曲軸零件作為試件，第一步:通過疲勞實驗設備結合斷口掃描電鏡觀察及X射線能譜，分析試件在拉伸實驗中，其疲勞成核、微裂紋形成、宏觀裂紋擴展、最后斷裂四個階段的聲發(fā)射特征，并結合斷裂力學對四個階段的機理進行分析，獲得在四個階段的模擬零件試件；接著用脈沖力錘激勵模擬零件試件，使其達到共振或臨界共振，即使其振動響應達到最大，在其上優(yōu)選多個測量點布置加速度傳感器，拾取其在脈沖激勵下的輸出響應。第二步:通過對第一步的響應信號進行整理，分析辨識出系統(tǒng)的Volterra非線性模型，并給出系統(tǒng)的非線性輸出頻率響應函數(shù)估算式。第三步:選擇3階Volterra級數(shù)作為分析模型，推導出脈沖激勵下單輸入多輸出系統(tǒng)的廣義頻率響應函數(shù)和非線性輸出頻響函數(shù)及其估算方法，構建敏感指標函數(shù)，待利用輸入、輸出數(shù)據(jù)辨識出模型之后，采用基于互相關函數(shù)與自相關函數(shù)的模型有效性驗證方法來驗證辨識得到模型的有效性，根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)估算敏感指標函數(shù)的實測值。第四步:選擇完好的同類型45號鋼新曲軸再次進行拉伸疲勞實驗和脈沖力錘激勵實驗，收集實驗數(shù)據(jù)對第二步和第三步中的函數(shù)進行重組校驗，對比兩組函數(shù)數(shù)據(jù)差異。第五步:對多個試件再次進行實驗分析，對比各個實驗數(shù)據(jù)的差異，分析零件內部損傷情況，探索評估舊零件可否再制造的方法，建立舊零件再制造的分類準貝U，以實驗結果數(shù)據(jù)分析棒料各個階段內部損傷的情況，正確區(qū)分出再制造新零件、用于維修配件、材料回收等三類，實現(xiàn)對舊零件可否再制造的分類評估。
【權利要求】
1.基于Volterra級數(shù)的舊機械零件內部損傷檢測方法,其特征在于包括以下步驟: 第一步:在自由邊界支承下對待檢測舊零件用脈沖力錘進行脈沖激勵； 第二步:根據(jù)輸入檢測信號以及相應的響應信號辨識出系統(tǒng)的Volterra非線性模型，并給出系統(tǒng)的非線性輸出頻率響應函數(shù)估算式； 第三步:由低3階非線性輸出頻率響應函數(shù)構建敏感指標函數(shù)，根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)估算敏感指標函數(shù)的實測值； 第四步:通過系列試驗檢驗敏感指標函數(shù)對舊零件內部損傷檢測的靈敏度,重構敏感指標函數(shù)，優(yōu)選更適應的敏感指標函數(shù)； 第五步:根據(jù)由實測信號數(shù)據(jù)得到的非線性特征敏感指標函數(shù)值，對舊零件內部缺陷進行評估，建立舊零件再制造的分類準則。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于VoI terra級數(shù)的舊機械零件內部損傷檢測方法,其特征在于:所述的第一步中，還包括脈沖錘擊試驗，所述脈沖錘擊實驗為對模擬零件和舊零件采用自由邊界無約束彈性支承，采用脈沖力錘激勵使其達到共振或臨界共振，并在其上優(yōu)選多個測量點布置加速度傳感器，拾取其在脈沖激勵下的輸出響應。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于VoIterra級數(shù)的丨日機械零件內部損傷檢測方法,其特征在于:所述的第二步和第三步中，所述響應信號為第一步中的脈沖力錘激勵輸出響應信號，所述響應信號辨識出系統(tǒng)的Volterra非線性模型過程為先選擇3階Volterra級數(shù)作為分析模型，推導出脈沖激勵下單輸入多輸出系統(tǒng)的廣義頻率響應函數(shù)和非線性輸出頻響函數(shù)及其估算方法，待利用輸入、輸出數(shù)據(jù)辨識出模型之后，采用基于互相關函數(shù)與自相關函數(shù)的模型有效性驗證方法來驗證辨識得到模型的有效性。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于Volterra級數(shù)的舊零件內部損傷非線性檢測方法，其特征在于:所述的第四步中，所述的系列實驗包括脈沖錘擊實驗和試件疲勞實驗，所述試件疲勞實驗為先通過實驗測試數(shù)據(jù)的廣義頻率響應函數(shù)和非線性輸出頻率響應函數(shù)的研究，探索對舊零件在疲勞成核、微裂紋形成、宏觀裂紋擴展、最后斷裂等不同狀態(tài)的非線性檢測，也包括對舊零件裂紋的非線性檢測，然后由各階非線性輸出頻率響應函數(shù)構造對舊零件內部損傷敏感的指標函數(shù)，由測試信號計算得到的指標函數(shù)值反應舊零件內部損傷程度。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于Volterra級數(shù)的舊零件內部損傷非線性檢測方法，其特征在于:所述的第五步中，所述對舊零件內部缺陷進行評估的過程為對舊零件再次進行脈沖錘擊試驗研究，獲取相關的非線性特征敏感指標函數(shù)值，然后再把舊零件進行疲勞試驗，進一步研究非線性特征敏感指標函數(shù)值與舊零件的疲勞壽命相關性，建立由舊零件內部缺陷測試得到的非線性特征敏感指標函數(shù)值及其他相關因素的評估模型，探索評估舊零件可否再制造的方法；所述舊零件再制造的分類準則包括正確區(qū)分出再制造新零件、用于維修配件和材料回收三大類。
【文檔編號】G01N3/34GK103558102SQ201310537361
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權日:2013年11月4日
【發(fā)明者】毛漢領, 毛漢穎, 黃振峰, 熊永敬, 高劍波 申請人:廣西大學