一种提高材料损伤临界折射纵波检测灵敏度的方法

摘要

一种提高材料损伤临界折射纵波检测灵敏度的方法，属于高端装备制造与检测领域。该方法包括以下步骤：根据被检材料和楔块的纵波声速，设计临界折射纵波楔块角度和几何尺寸；采用一发一收方式在不同损伤程度试样的表面激励、接收临界折射纵波；对临界折射纵波信号进行递归定量分析得到递归图，提取递归度、确定率、递归趋势三种特征参数，并做归一化处理；建立其与损伤参数间的对应关系。与仅利用临界折射纵波幅值检测损伤的方法相比，利用递归定量分析对临界折射纵波进行分析后检测结果直观、灵敏度高，实现了损伤的多参数评价，为不同损伤类型区分提供了可能，具有良好的工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高材料损伤临界折射纵波检测灵敏度的方法，属于高端装备制造与检测领域。

背景技术

高端装备构件在制造和服役过程中会受到多种载荷影响，如温度、湿度、紫外线辐射、外力等，不可避免发生一定程度的损伤，材料表面/近表面又是损伤萌生高发区。因此，若能在早期及时对其进行有效评价，便可提前预警灾难，对确保关键构件安全运行意义重大。

近年来，有关临界折射纵波(Critically Refracted Longitudinal wave，L

如何提取反映早期损伤的信号特征并建立与损伤之间的映射关系，是实现早期损伤检测与评价的关键问题。鉴于超声信号具有短程非平稳的特点，其中还会掺杂各种干扰信号，因此准确提取信号中稳定因素就显得尤为重要。递归定量分析(RecurrenceQuantification Analysis，RQA)方法是一种可对时间序列非平稳性和混沌性进行评估的信号分析方法，可用于非线性系统中递归特性的提取，它是基于高维相空间轨迹递归现象直观显示的递归图(Recurrence Plot，RP)中的系统特征进行定量描述。相较于频谱分析、小波变换等方法，RQA方法对时间序列的大小和稳定性无特殊要求，抗噪能力强，分析结果直观，鲁棒性也更好，已被用于混凝土和复合材料内部缺陷及孔隙率检测等信号分析中。

发明内容

本发明提出一种提高材料损伤临界折射纵波检测灵敏度的方法，引入RQA方法对L

本发明采用的技术方案是：根据被检材料和楔块的纵波声速，设计L

(1)临界折射纵波信号激励和接收

a.根据GB/T 23900-2009无损检测-材料超声速度测量方法，分别测量声耦合楔块与被检材料的声速V

θ

b.采用两个相同规格的超声探头，以一发一收方式在不同损伤程度试样表面激励和接收临界折射纵波，临界折射纵波信号作为待研究的时间序列；

(2)根据延迟嵌入定理，将步骤(1)采集的包含N个点的临界折射纵波一维时间序列{x

其中第i个向量X

(3)计算步骤(2)重构相空间中两个不同状态向量间距离，根据预设阈值构建递归矩阵：

R

式中，ε为预设阈值，||X

将递归矩阵图像化得到递归图，图像化规则为：R

(4)根据递归图进行递归定量分析，分析使用的量化指标包括递归度RR、确定率DET、递归趋势TREND等多个参数。递归度RR为递归图中黑点数所占总点数比值，计算方法如下：

确定率DET为递归图中与主对角线平行的线段所含递归点与总递归点的比值，计算方法如下：

式中，p(l)是长度为l的对角线分布概率，l

递归趋势TREND是递归图上从主对角线向边角过渡的递归度的变化速度，定义式为：

式中，RR

(5)计算不同损伤程度试样的归一化递归度差RR

RR

DET

TREND

其中，RR

(6)建立损伤参数与递归分析特征参数关系：分析步骤(5)所得RR

本发明的有益效果是：一种提高材料损伤临界折射纵波检测灵敏度的方法，利用RQA方法分析L

附图说明

图1是纯铁疲劳试样示意图(单位：mm)。

图2是纯铁疲劳试样应力应变关系。

图3是L

图4是纯铁试样不同疲劳周次L

图5是不同疲劳损伤阶段纯铁试样5MHz L

图6是L

具体实施方式

(1)参照GB/T 228-2002金属材料-室温拉伸试验方法，设计纯铁试样几何规格如图1所示，平行段宽度10mm，长度6mm，厚度5mm。

(2)利用MTS Landmark液压伺服测试系统对样品进行疲劳加载，采用应力控制模式，加载波形为三角波，加载频率为0.1Hz，R比为-1，最大应力为160MPa。采用多个平行试样分别加载1～500周次不等，得到如图2所示的应力应变滞回环，随着疲劳周次的增加，滞后环逐渐右移。计算0、2、100、500周疲劳试样的塑性应变分别为0、7％、8.2％、10％，即力学损伤逐渐累积。

(3)图3为L

θ

使用Olympus 5800PR超声检测仪及Tektronix DPO 4032数字荧光示波器激励、接收信号。在疲劳周次分别为0、2、100、500周的试样表面采集L

(4)根据延迟嵌入定理，将步骤(3)采集的包含N个点的L

其中第i个向量X

(5)计算步骤(4)重构相空间中两个不同状态向量间距离，根据预设阈值构建递归矩阵：

R

式中，ε为预设阈值，取时间序列标准差的1.5倍，||X

将递归矩阵图像化得到RP图，图像化规则为：R

(6)计算RP图中黑点数所占总点数比值，即递归度RR，计算方法如下：

得到0、2、100、500周疲劳试样对应的RR值分别为0.03、0.17、0.21和0.23。

计算确定率DET，即递归图中与主对角线平行的线段所含递归点与总递归点的比值，计算方法如下：

式中，p(l)是长度为l的对角线分布概率，l

递归趋势TREND是递归图上从主对角线向边角过渡的递归度的变化速度，定义式为：

式中，RR

(7)计算不同力学损伤程度试样的归一化RR差RR

RR

DET

TREND

其中，RR

同时，以0周信号为参比，计算不同疲劳周次试样的L

A

其中，A

(9)随塑性应变ε