一种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非线性检测方法

摘要

本发明公开了一种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非线性检测方法，所述方法是在变截面构件的一端耦合聚能换能器，使变截面构件另一端处于自由状态；通过聚能换能器对变截面构件一端施加受迫周期振动力以激发大应变波，大应变波在变截面构件体内微裂纹处激发非经典非线性声波传播，从而得到高次奇谐波；然后采用固定在变截面构件长度方向上的四个激光位移传感器进行非接触式测量，通过计算机处理得到微裂纹所在位置和宽度。采用本发明方法能有效识别和定位变截面构件体内的微裂纹，且精确度高，不受传播损耗影响，为工程领域提供了一种早期发现和定位变截面构件体内微裂纹的有效途径，具有显著性实用价值。

说明书

技术领域

本发明是涉及一种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非线性检测方法，属于超声波 无损检测技术领域。

背景技术

变截面构件如锥形棒或指数形梁，以最优化的结构和最小自重承受较大周期交变负荷 因而在工程领域被广泛使用。与等截面构件比较，在交变负载作用下，变截面构件内部易 出现应力集中。根据Griffith能量平衡原理，当达到应力累积到一定程度时，微缺陷开始扩 展形成微裂纹，初期这些微裂纹表现为闭合状态，但随着载荷的持续作用，微裂纹变宽进 而扩展成裂缝，最终导致变截面构件断裂，因此早期发现和定位变截面构件体内微裂纹在 工程上具有非常重要意义。

传统的线性超声方法通过测量回波幅度、声速和能量衰减等声学线性参数的变化，识 别缺陷的位置和大小。但早期微裂纹处于闭合状态，受到缺陷尺寸和超声波长分辨率的影 响，超声波在材料内部传播过程中声学线性参数几乎没有变化，而且变截面构件外形不规 则，即使没有缺陷，不同位置相同的测量方法所得到测量参数当量也不同，因此线性超声 方法发现微裂纹是困难的。

近年来研究发现，构件体内的微缺陷会在声波传播过程中产生谐波项，使得应力和应 变关系成为非线性特性，其频谱中除基频外，还包括二次谐波、三次谐波等谐波频率，因 此通过比较谐波项与基频的幅度比值，即非线性参数法，理论上应该发现材料是否有微缺 陷，但受到功率发生器、换能器和材料内部晶格的非线性影响，微缺陷本身造成的非线性 往往不易发现，且谐波成分多样性，也造成能量过度分散，导致三次谐波等幅度很小，无 法计算非线性参数，所以不借助一些特殊设备，非线性参数法实际应用是困难的。

大量的实验表明：当应变大于ε≥10^-6时，材料内部的微裂纹表现出非线性介观弹性,应 力和应变变成非经典非线性关系,除了激发频率(基波)外，仅仅含有奇次谐分量，且谐波 幅度也比较大，因此国外学者提出非线性弹性波光谱分析法、接触非线性和时间反转法等， 通过测量三次谐波位移、共振频谱偏移、调制波的差和频成分等能够发现是否存在微裂纹。 然而，上述非线性法来检测微裂纹的方法在实际应用中受到多种条件的制约，如接触非线 性(CAN)法，要求外部提供冲击装置；时间反转非线性法需要收发换能器阵列组；非线 性弹性波光谱分析法只适合规则截面的构件等；同时，这些方法一般只能发现构件中是否 存在微裂纹或者微孔，但这些缺陷在什么位置，其宽度尺寸等信息无法确定，从而也限制 了超声非线性检测方法在工业上，尤其是航天航海工业上的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非线性检 测方法，为工程领域提供一种早期发现和定位变截面构件体内微裂纹的有效途径。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非线性检测方法，是通过在变截面构件的一 端耦合聚能换能器，使变截面构件另一端处于自由状态；通过聚能换能器对变截面构件一 端施加受迫周期振动力以激发ε≥10^-6的大应变波，大应变波在变截面构件体内微裂纹处激 发非经典非线性声波传播，从而得到高次奇谐波；然后采用固定在变截面构件长度方向上 的四个激光位移传感器进行非接触式测量；计算机通过处理采集的四个激光位移传感器的 信号，得到a、b、c、d四个固定点的三次谐波纵向位移和代入公式1计算三次谐波解的系数和和 将所得系数再代入公式2中，即可计算得到微裂纹所在位置x₁和宽度d；

所述的公式1如下所示：

$\left(\begin{array}{c}{A}_2^{\left(3L\right)}={\mathrm{Am}}_2^{\left(3L\right)}\sin \left({\phi }_2^{\left(3L\right)}\right)\\ B_2^{\left(3L\right)}={\mathrm{Am}}_2^{\left(3L\right)}\cos \left({\phi }_2^{\left(3L\right)}\right)\end{array}\right)$和$\left(\begin{array}{c}{A}_2^{\left(3R\right)}={\mathrm{Am}}_2^{\left(3R\right)}\sin \left({\phi }_2^{\left(3R\right)}\right)\\ B_2^{\left(3R\right)}={\mathrm{Am}}_2^{\left(3R\right)}\cos \left({\phi }_2^{\left(3R\right)}\right)\end{array}\right);$其中：

$\left(\begin{array}{c}{\phi }_2^{\left(3L\right)}=-{3\mathrm{kx}}_a+a\tan \left(\frac{\sin 3\mathrm{k\Delta }}{C1\sqrt{\frac{S(x_a+\Delta )}{S\left(x_a\right)}}-\cos 3\mathrm{k\Delta }}\right)\\ {\mathrm{Am}}_2^{\left(3L\right)}=\frac{{\xi }_2^{\left(3L\right)}(x_a,t)}{\sin ({3\mathrm{kx}}_a+{\phi }_2^{\left(3L\right)})\cos \left(3\mathrm{\omega t}\right)}\sqrt{\frac{S\left(x_a\right)}{S\left(0\right)}}\end{array}\right);$

$\left(\begin{array}{c}{\phi }_2^{\left(3R\right)}=-{3\mathrm{kx}}_a+a\tan \left(\frac{\sin 3\mathrm{k\Delta }}{C2\sqrt{\frac{S(x_c+\Delta )}{S\left(x_c\right)}}-\cos 3\mathrm{k\Delta }}\right)\\ {\mathrm{Am}}_2^{\left(3R\right)}=\frac{{\xi }_2^{\left(3R\right)}(x_c,t)}{\sin ({3\mathrm{kx}}_c+{\phi }_2^{\left(3R\right)})\cos \left(3\mathrm{\omega t}\right)}\sqrt{\frac{S\left(x_c\right)}{S\left(0\right)}}\end{array}\right);$

$\left(\begin{array}{c}C1=\frac{{\xi }_2^{\left(3L\right)}(x_b,t)}{{\xi }_2^{\left(3L\right)}(x_a,t)}\\ C2=\frac{{\xi }_2^{\left(3R\right)}(x_d,t)}{{\xi }_2^{\left(3R\right)}(x_c,t)}\end{array}\right);$

所述的公式2如下所示：

$\left(\begin{array}{c}{x}_1=\frac{1}{3k}a\tan \frac{A_2^{\left(3R\right)}-A_2^{\left(3L\right)}}{B_2^{\left(3L\right)}-B_2^{\left(3R\right)}}\\ d=\frac{1}{2}{A}_2^{\left(3L\right)}\sqrt{S\left(x_1\right)/S\left(0\right)}\frac{\lambda 6\mathrm{kS}\left(0\right)+S_x\left(0\right)}{(\cos \left({3\mathrm{kx}}_1\right)-\lambda \sin \left({3\mathrm{kx}}_1\right))R\left(x_1\right)}\end{array}\right);$其中:

$\left(\begin{array}{c}\lambda =\frac{6\mathrm{kS}\left(L\right)\tan \left(3\mathrm{Lk}\right)+S_x\left(L\right)}{\tan \left(3\mathrm{Lk}\right)S_x\left(L\right)-6\mathrm{kS}\left(L\right)}\\ \gamma =\frac{S_x\left(0\right)}{\mathrm{kS}\left(0\right)}\\ R\left(x\right)=\mathrm{sign}\left(H\left(x\right)\right)·\left[\frac{91}{105\pi }\alpha (S_x\left(x\right)H{\left(x\right)}^2+2S\left(x\right)H\left(x\right)H_x\left(x\right))\right]\end{array}\right)$

上面公式中和表示微裂纹左边位移的振幅系数；和表示微裂纹右边 的振幅系数；S(x)代表变截面构件在x处的截面积；S_x(x)代表在截面积关于x的导数；H(x) 和H_X(x)分别代表主应变幅度和主应变幅度关于x的导数；k为波速；L为变截面构件的长 度；△为相邻两激光位移传感器的间距；α为非经典非线性参数。

作为优选方案，四个激光位移传感器的激光束中心分别对准待测变截面构件长度方向 上的左端点位置(x＝0)、右端点位置(x＝L)、距离左端点的任意位置(x＝Δ)、距离右端 点Δ位置(x＝L-Δ)上的标定基准线。

作为优选方案，采用二维平面灰度图表征微裂纹位置。

作为优选方案，同时采集五次谐波位移并计算二维平面灰度图，当与三次谐波得到的 灰度图上出现的微裂纹区域相重合位置，判定为微裂纹发生位置。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过在变截面构件的一端耦合聚能换能器，通过聚能换能器对变截面构件一端 施加受迫周期振动力以激发ε≥10^-6的大应变波，大应变波在变截面构件体内微裂纹处激发 非经典非线性声波传播，从而得到高次奇谐波；再采用四个位置非接触式间接测量变截面 构件的三次谐波纵向振动位移，即可通过计算得到变截面构件体内微裂纹所在位置和宽度， 为工程领域提供了一种早期发现和定位变截面构件体内微裂纹的有效途径；而且实验表明： 本发明方法定位准确，受传播损耗的影响小，且无需进行长度方向扫描，操作简单易行， 能较好地解决变截面构件的微裂纹检测问题，尤其适用于锥形、正弦形或双曲线形的棒或 梁等的微裂纹检测，具有显著性实用价值。

附图说明

图1为本发明采用的测量系统结构框图；

图2是实施例中变截面锥棒在不同位置处的微裂纹分布灰度图，其中：

图2-a为真实微裂纹在x＝0.04米处的微裂纹判定分布灰度图；

图2-b为真实微裂纹在x＝0.08米处的微裂纹判定分布灰度图；

图2-c为真实微裂纹在x＝0.12米处的微裂纹判定分布灰度图；

图3是采用本发明方法判定的微裂纹与真实微裂纹间的公差图(Q从5～100)。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

实施例

本实施例平行选用3个变截面锥形棒：长度L均为0.2米，截面积S(x)＝(1+x/10)²S₀； 材料密度ρ＝7.8×10³kg/m³，纵波声速c＝6×10³m/s，S(0)为2.5×10^-3m²，微裂纹中心位 置分别为x₁＝0.04、0.08和0.12米，微裂纹宽度d均为0.5毫米为待测样品；

本实施例采用的检测系统的结构示意图如图1所示：包括计算机1、函数信号发生器2、 宽带功率放大器3、聚能换能器4、四个激光位移传感器7、高通滤波器8及数据采集卡9， 所述的聚能换能器4与待测变截面构件5的一端相耦合接触，所述的四个激光位移传感器7 的激光束中心分别对准待测变截面构件长度方向上的左端点位置(x＝0)、右端点位置 (x＝L)、距离左端点的任意位置(x＝Δ)、距离右端点Δ位置(x＝L-Δ)上的标定基准线。

计算机1使函数信号发生器2产生频率为f的连续正弦波，经宽带功率放大器3驱动 聚能换能器4产生振幅为F0为10⁵N的周期作用力F施加到与聚能换能器4相接触的待测 变截面构件5的端面上以激发ε≥10^-6的大应变波，使大应变波在变截面构件体内微裂纹6 处激发非经典非线性声波传播，从而得到高次奇谐波；四路激光位移传感器7输出信号， 通过高通滤波器8后，由数据采集卡9传输给计算机1；计算机1处理四路采集信号，并调 用FIR带通滤波器选择三次谐波，得到a，b，c，d四点的三次谐波纵向位移和代入公式1计算三次谐波解的系数和 和将所得系数再代入公式2中，即可计算得到微裂纹所在位置x₁和宽度d；

所述的公式1如下所示：

$\left(\begin{array}{c}{A}_2^{\left(3L\right)}={\mathrm{Am}}_2^{\left(3L\right)}\sin \left({\phi }_2^{\left(3L\right)}\right)\\ B_2^{\left(3L\right)}={\mathrm{Am}}_2^{\left(3L\right)}\cos \left({\phi }_2^{\left(3L\right)}\right)\end{array}\right)$和$\left(\begin{array}{c}{A}_2^{\left(3R\right)}={\mathrm{Am}}_2^{\left(3R\right)}\sin \left({\phi }_2^{\left(3R\right)}\right)\\ B_2^{\left(3R\right)}={\mathrm{Am}}_2^{\left(3R\right)}\cos \left({\phi }_2^{\left(3R\right)}\right)\end{array}\right);$其中：

$\left(\begin{array}{c}{\phi }_2^{\left(3L\right)}=-{3\mathrm{kx}}_a+a\tan \left(\frac{\sin 3\mathrm{k\Delta }}{C1\sqrt{\frac{S(x_a+\Delta )}{S\left(x_a\right)}}-\cos 3\mathrm{k\Delta }}\right)\\ {\mathrm{Am}}_2^{\left(3L\right)}=\frac{{\xi }_2^{\left(3L\right)}(x_a,t)}{\sin ({3\mathrm{kx}}_a+{\phi }_2^{\left(3L\right)})\cos \left(3\mathrm{\omega t}\right)}\sqrt{\frac{S\left(x_a\right)}{S\left(0\right)}}\end{array}\right);$

$\left(\begin{array}{c}{\phi }_2^{\left(3R\right)}=-{3\mathrm{kx}}_a+a\tan \left(\frac{\sin 3\mathrm{k\Delta }}{C2\sqrt{\frac{S(x_c+\Delta )}{S\left(x_c\right)}}-\cos 3\mathrm{k\Delta }}\right)\\ {\mathrm{Am}}_2^{\left(3R\right)}=\frac{{\xi }_2^{\left(3R\right)}(x_c,t)}{\sin ({3\mathrm{kx}}_c+{\phi }_2^{\left(3R\right)})\cos \left(3\mathrm{\omega t}\right)}\sqrt{\frac{S\left(x_c\right)}{S\left(0\right)}}\end{array}\right);$

$\left(\begin{array}{c}C1=\frac{{\xi }_2^{\left(3L\right)}(x_b,t)}{{\xi }_2^{\left(3L\right)}(x_a,t)}\\ C2=\frac{{\xi }_2^{\left(3R\right)}(x_d,t)}{{\xi }_2^{\left(3R\right)}(x_c,t)}\end{array}\right);$

所述的公式2如下所示：

$\left(\begin{array}{c}{x}_1=\frac{1}{3k}a\tan \frac{A_2^{\left(3R\right)}-A_2^{\left(3L\right)}}{B_2^{\left(3L\right)}-B_2^{\left(3R\right)}}\\ d=\frac{1}{2}{A}_2^{\left(3L\right)}\sqrt{S\left(x_1\right)/S\left(0\right)}\frac{\lambda 6\mathrm{kS}\left(0\right)+S_x\left(0\right)}{(\cos \left({3\mathrm{kx}}_1\right)-\lambda \sin \left({3\mathrm{kx}}_1\right))R\left(x_1\right)}\end{array}\right).$

聚能换能器4的激发频率f＝15.19kHz；非经典非线性参数α＝2000，两相邻激光位 移传感器的间距Δ取0.01米。

采用本发明方法检测得到的微裂纹数据见表1所示。

表1采用本发明方法对上述3个试样的微裂纹检测数据(单位：米)

真实微裂纹位置 a点位移 b点位移 c点位移 d点位移 判定微裂纹位置 0.04 1.927E-5 1.711E-5 2.133E-5 4.137E-6 0.04±0.002 0.08 5.133E-5 4.56E-5 3.388E-5 1.102E-5 0.08±0.002 0.12 4.199E-5 3.73E-5 3.288E-5 9.018E-6 0.12±0.002

根据四个点的三次谐波位移值，可计算得到微裂纹分布灰度图，其中：图2-a为真实微 裂纹在x＝0.04米处的微裂纹判定分布灰度图；图2-b为真实微裂纹在x＝0.08米处的微裂纹 判定分布灰度图；图2-c为真实微裂纹在x＝0.12米处的微裂纹判定分布灰度图；灰度图中 的颜色越浅的位置，微裂纹处于该处的可能性就越大；反之，颜色越深，存在微裂纹的可 能性就越小。

由图2-a可见：在x为0.04、0.1和0.18附近存在三个浅色区域，但在x＝0.04米位置 颜色最浅，因此，判定在x＝0.04处存在微裂纹的可能性最大；其误差范围不超过4毫米； 与真实微裂纹位置相符。

由图2-b可见：在x为0.02、0.08和0.14附近存在三个浅色区域，但在x＝0.08米位置 颜色最浅，因此，判定在x＝0.08处存在微裂纹的可能性最大，与真实微裂纹位置也相符。

由图2-c可见：在x为0.05、0.12和0.19附近存在三个浅色区域，但在x＝0.12米位置 颜色最浅，因此，判定在x＝0.12处存在微裂纹的可能性最大，与真实微裂纹位置也相符， 且其误差范围小于5毫米。

图3是采用本发明方法判定的微裂纹与真实微裂纹间的公差图(Q从5～100)，图3 的横坐标表示真实微裂纹的位置，纵坐标表示判定的微裂纹位置。由图3可见：当力学品 质因数Q从5到100变化时，除两端外，图中曲线近似为斜率为1的准直线，且缺陷判定 公差范围均小于或等于5毫米，例如图中在0.05m的微缺陷，其判定结果为0.045±0.002， 进一步表明Q值的变化对微裂纹判定影响很小，裂纹识别不受材料损耗大小的影响。

为提高裂纹判定精度，可同时提取五次谐波位移，计算二维平面灰度图，当与三次谐 波得到的灰度图上出现的微裂纹区域相重合位置，再判定为微裂纹发生位置。

综上实验可见：采用本发明方法能有效识别和定位变截面构件体内的微裂纹，且精确 度高，不受传播损耗影响。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说 明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出 的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。