一種基于激光振動檢測金屬波紋管缺陷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種檢測金屬波紋管缺陷的方法，尤其是一種基于激光振動檢測金屬 波紋管缺陷的方法，屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無損檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、機械、石油化工、冶金等領(lǐng)域。傳統(tǒng)無損 檢測主要有超聲波檢測、磁粉檢測、X射線檢測、滲透檢測和渦流檢測等。但是這些現(xiàn)有方法 均只能識別局部損傷，即每次檢測中只能識別針對性的小區(qū)域缺陷，并且需要專業(yè)人員實 施檢測和解釋結(jié)果，操作繁瑣、費時、費力。
[0003] 激光振動檢測產(chǎn)品的缺陷是之后發(fā)展起來的一項無損檢測技術(shù)，與上述傳統(tǒng)檢測 技術(shù)相比，其適用范圍廣，可非接觸檢測任何金屬材料的外部和內(nèi)部缺陷，且具有操作簡 便、檢測效率高、靈敏度高等優(yōu)點。然而，基于振動的損傷檢測需要同步測量波紋管局部或 整體的振動情況，通過測量振動時間來提取波紋管的動態(tài)特性(如固有頻率）以揭示損傷的 存在，并使用異常點的振動情況來定位損傷位置，因此不僅面臨如何從帶有非線性噪聲的 信號中提取動態(tài)特性，以及如何關(guān)聯(lián)物理測量的損傷指標、并找出損傷和定位損傷的難題， 而且波紋管不同于常規(guī)的壓力容器，表面有巨大的彎曲變形(波峰和波谷），增加了激光振 動數(shù)據(jù)采集的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于:提出一種具有科學依據(jù)的基于激光振動檢測金屬波紋管缺陷 的方法，使金屬波紋管缺陷的檢測不僅靈敏度高，而且無需全面掃描即可準確確定缺陷位 置，使檢測操作簡便、效率提高。
[0005] 本發(fā)明進一步的目的在于:通過數(shù)據(jù)加工，獲得包括缺陷大小、深度在內(nèi)的缺陷損 傷指標，以便對金屬波紋管的健康狀態(tài)進行合理的評估，采取相應(yīng)的處理措施。
[0006] 申請人研讀了 作者白彭津的《Highly FIexib 1 e Structures : Mode 1 ing， Computation and Experimentation》一書（Pai，P.F·，Highly Flexible Structures : Modeling,Computation and Experimentation,AIAA,Reston,Virginia,2007) 合實際的深入研究認識到:基于BEEM(Boundary-effect evaluation method邊界效應(yīng)評估 法），把結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動進行擬合，可以得到相應(yīng)的中心函數(shù)和邊界層函數(shù)，其邊界層函數(shù) 及其組合只在結(jié)構(gòu)邊界上才是非零的。對于一個損傷結(jié)構(gòu)，由于損傷在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引入了新 的邊界，因此從由結(jié)構(gòu)得到的邊界函數(shù)在損傷邊界上也是非零值。通過判斷損傷曲線的突 變區(qū)域就能獲得損傷的位置、大小，而通過缺陷形成能和吉布斯自由能平衡公式可以獲得 損傷的深度。
[0007] 金屬波紋管的損傷缺陷將局部邊界點/線引入到波紋管的結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)缺陷附 近的斜率、曲率或其他高階空間導數(shù)會存在不連續(xù)，必然使其振動參數(shù)(振幅、速度和加速 度等）以某種規(guī)律發(fā)生相應(yīng)的改變，因此這種不連續(xù)性的提取可以清楚地顯示損傷位置。
[0008] 基于以上研究，申請人提出了本發(fā)明基于激光振動檢測金屬波紋管缺陷的方法， 包括以下基本步驟：
[0009] 第一步、振動激勵一一向被檢測金屬波紋管發(fā)出預定頻率范圍的振動激勵(該激 勵可以由激光測振儀內(nèi)部信號控制或者純外界信號控制）；
[0010] 第二步、確定頻率--采用激光測振儀掃描被測金屬波紋管（線掃描或面掃描均 可），獲取金屬波紋管的振動頻譜，根據(jù)頻譜中的振型圖（例如動畫圖等)及振動頻率峰值確 定被測金屬波紋管在預定頻率范圍的各階固有頻率，并在各階固有頻率中選取振動峰值大 于平均振動峰值的頻率之一作為檢測頻率；
[0011] 第三步、沿線掃描一一用激光測振儀在選定的檢測頻率下先后沿被測金屬波紋管 兩個相互垂直的方向掃描獲取波紋管的操作變形振型曲線（該曲線可以為振動振幅曲 線一一通常為平均振幅、或相應(yīng)的振動速度曲線、振動加速度曲線，平均振幅曲線對時間的 一階微分為相應(yīng)的振動速度曲線，二階微分為相應(yīng)的振動加速度曲線）；
[0012] 第四步、得到坐標一一由兩條操作變形振型曲線上振動突變處的縱橫坐標確定缺 陷位置。
[0013]為了達到進一步的目的，本發(fā)明還包括以下步驟：
[0014] 第五步、確定大小一一根據(jù)兩條操作變形振型曲線上突變段的長度與相應(yīng)方向掃 描實際長度的比例關(guān)系，分別得出決定缺陷大小的缺陷實際長度和寬度。
[0015] 當缺陷較小時，以上第四步的操作變形振型曲線往往難以清晰顯示振動突變，此 時可采用BEEM邊界效應(yīng)理論對每條操作變形振型曲線進行數(shù)據(jù)處理，以得到所需的驗證結(jié) 果。根據(jù)BEEM，每條曲線均能獲取10個相互印證的用于表征缺陷位置的損傷指標，分別為 (：3，(：4，(^,(^,(：1(：3，(^〇；，，0，(})及〇(其物理意義參見表1)，且這些指標均能繪制成相應(yīng) 的曲線將很小的缺陷在相應(yīng)的曲線上顯現(xiàn)出來，直觀表現(xiàn)為曲線的突變或不連續(xù)。選取該 10個指標中任一個能清晰顯示損傷位置的曲線（如曲線），通過其曲線上突變處的縱 橫坐標即能確定缺陷的位置。
[0016] 該數(shù)據(jù)處理方法以邊界效應(yīng)評估理論為科學依據(jù)，試驗研究表明，一個常規(guī)的金 屬波紋管在頻率為Ω的諧波激勵下，其穩(wěn)定操作變形振動(0DS)W(幻可以表示成以下關(guān) 系式：
[0022] ai、a2、bi和b2--為PF(J)表達式中各項式系數(shù)，可以通過激光振
[0023] 動試驗數(shù)據(jù)擬合獲得，無量綱
[0024] (三Λ?)--無為相對于觀測點Xm的坐標，X為坐標變量，單位Ι?Π?β--激光振 動儀測得的金屬波紋管操作變形振型的單個波長的平均波數(shù)，單位個
[0025] λ一一金屬波紋管激光振動試驗數(shù)據(jù)所代表的信號波長，可在操作變形振型曲線 中直接獲得
[0026] m一一為金屬波紋管每單位長度的質(zhì)量，單位Kg
[0027] ω(=2η/Τ)--金屬波紋管振動時在一個周期Τ的平均頻率，單位HzCiXhChCh 和? -一F (無)表達式中各項式系數(shù)，均為^的函數(shù)。
[0028] C1、C2、C3、C4可通過BEEM理論的如下擬合誤差過程得到 ：
[0029] (1)
[0030] (1)式中
[0031 ] Error--無量綱擬合誤差
[0032] Qi--加權(quán)系數(shù)，ai=丨八1+ | 99i/N | )，i =丨，2……N，N為激光振動儀采集的數(shù)據(jù)總 個數(shù)
[0033] ffi一一為在第i個點模擬的振動數(shù)據(jù)，單位mm
[0034] Y,一一為在第i個數(shù)據(jù)采集點測得的振動數(shù)據(jù)，單位mm令擬合誤差最小，得到
[0035]
⑵
[0036] 求解(2)即可得到所需的&、C2、C3、C4值。
[0037] Κ-Π 一一為穩(wěn)定狀態(tài)下金屬波紋管簡諧振動最大彈性能密度和最大動能密度的 差值，單位J
[0038] ffiBpi^.(^.)--為在耳點的模擬數(shù)據(jù)，單位mm
[0039] Y,--為在寫點的激光振動采集的數(shù)據(jù)，單位mm
[0040] SSD 為擬合曲線橫截面標準誤差
[0041 ]理論上，由以上運算處理可以得到下表的10個相互關(guān)聯(lián)的損傷指標，包括c3，C4， C^C^CiC^C^CtAj，Φ，SSD，并由此確保損傷缺陷檢測結(jié)果的正確性。
[0042]表1 10個損傷指標的物理意義 [0043]
[0045] 此外，第五步也可借助BEEM理論，對每條操作變形振型曲線進行處理，獲取10個損 傷指標，選取任一個能清晰顯示損傷位置的印證曲線（如曲線），通過印證曲線上突變 段的長度和相應(yīng)方向掃描實際長度的比例關(guān)系，分別得出決定缺陷大小的缺陷實際長度和 寬度。
[0046] 第六步、確定深度一一求解以下方程組得出缺陷深度
[0052] s三e/h
[0053] 其中
[0054] β--激光振動儀測得的金屬波紋管操作變形振型的單個波長平均波數(shù)，單位個
[0055] L一一缺陷處到缺陷右側(cè)數(shù)據(jù)采集點之間的距離，單位mm
[0056] ff一一為最大慣性載荷下金屬波紋管的靜態(tài)變形，由激光測振儀測得，單位mm，W"、 W"'分別為其二階和三階導數(shù)
[0057] h--金屬波紋管壁厚，單位mm
[0058] e一一缺陷的深度，單位mm
[0059] s一一缺陷深度e與波紋管壁厚h的比值 [0060] v--泊松比
[0061 ] fiBPfi(s)--1類應(yīng)力強度因子，單位_4;";;，由下式求得：
[0064] f2即f2(s)--Π 類應(yīng)力強度因子，單v由下式求得:
[0065]
[0066] FiBPFi(s)--以s為變量的中間函數(shù)，無量綱 [0067] Fn即Fn(s)--以s為變量的中間函數(shù)，無量綱
[0068] Ci--位移中心解，無量綱
[0069] C3一一邊界層位移解，無量綱
[0070] 以上公式的推導依據(jù)及有關(guān)詳解可查看《Highly Flexible Structures: Modeling,Computation and Experimentation》。
[0071] 由此可見，本發(fā)明利用激光測振的多普勒效應(yīng)理論，可以方便快捷獲取金屬波紋 管的振動信息，經(jīng)過相應(yīng)的BEEM(Boundary_effect Evaluation Method)數(shù)據(jù)處理方法對 采集到的〇DS(Operational Deflection Shapes操作變形振型)數(shù)據(jù)進行處理，從而獲取金 屬波紋管缺陷的相關(guān)結(jié)果。采用本發(fā)明后，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著進步：
[0072] 1)靈敏精確一一可以檢測出金屬波紋管尺度0.1_級的微小缺陷；
[0073] 2)效率提高一一借助激光測振儀可進行線或面掃描快速檢測大型金屬波紋管；
[0074] 3)在線檢測--可以在線檢測，不影響金屬波紋管的正常工作；
[0075] 4)數(shù)據(jù)可靠一一可以得到彼此相互印證10種損傷識別指數(shù)，確保損傷的定位精度 和檢測結(jié)果的可靠；
[0076] 5)結(jié)果直觀一一檢測結(jié)果易于圖形化，容易理解和處理；
[007