一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法

摘要

本发明公开了一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性检测方法。该方法适用于金属薄板中疲劳早期微缺陷、微损伤的检测与表征，属于无损检测领域。该方法首先根据被测对象和非线性Lamb波谐振条件，确定基频波的激励频率；在试件同侧方向方设置一对检测探头即超声波发射探头和接收探头，进行金属薄板结构非线性检测；通过改变激励信号激励时延，对试件不同位置进行扫查，提取基波幅值和二次谐波幅值；最后，根据超声非线性系数随检测位置的变化规律，可实现对金属板疲劳损伤的检测以及损伤程度的表征。本发明引入了一定频率下的带通滤波器，用带通滤波器替代了原有的高通滤波器，使得接收的信号更为纯净、同时也大大降低的数据处理的难度。

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料高周疲劳损伤检测技术领域，具体涉及一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法。

背景技术

离心压缩机作为一种重要的能量转换装置，被广泛的应用在电力、能源、冶金、石油、化工等重要领域。叶轮、叶片作为离心压缩机的核心模块，FV520B高强钢作为制作叶轮、叶片常用材料，因其工作环境较恶劣，承受载荷较复杂、服役时间较长，往往容易发生疲劳失效。对设计良好的结构件而言，材料早期疲劳损伤(未形成宏观裂纹之前)占据整个疲劳寿命的较大比重，对于疲劳损伤的结构件来说，其早期性能退化占据了整个疲劳寿命的80％以上。尽管线性超声检测技术里包含无损检测技术对材料里宏观缺陷检测结果较为理想，但是对疲劳过程里宏观裂纹出现之前材料的早期损伤(如位错结构，微裂纹，孔洞)却不敏感。该技术能够克服传统无损检测技术存在的缺陷，对材料的早期损伤比较为敏感，可以用其检测材料疲劳早期的损伤程度。Lamb波本身因具有传播距离远、检测精度高、检测范围广、能量衰减小等特点，在板状结构的无损监测中应用较为广泛。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了设计合理的一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法，可以有效的实现对板材缺陷程度的表征，该检测系统高效且便捷。

本发明的技术方案如下：

一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法，包括如下步骤：

1)获取金属薄板试件的相速度及群速度的频散曲线；

2)基于上述的频散曲线来获取激励频率、特定模态的Lamb波以及所述特定模态的Lamb波的入射角作为模型参数；根据所确定的入射角的大小，制定出相应角度的楔块；

3)根据步骤2)中特定模态的Lamb波推导归一化相对非线性参量β′/β

4)根据已经确定的模型参数，搭建非线性超声测试系统；

5)根据步骤4)中建立的非线性超声测试系统对金属薄板进行测试并判断所述归一化相对非线性参量β′/β

进一步的，所述步骤1)具体步骤如下：

1.1)首先用Matlab求解Rayleigh-Lamb方程，Rayleigh-Lamb方程的表达式如下：

其中，

1.2)通过二分法，并借助Matlab编程来获得精确的数值解，绘制出高强钢材料的相速度与群速度频散曲线图，具体的步骤如下：

1.2.1)根据被测板金属材料及其厚度，选定一初始频率f；

1.2.2)设置一个初始相速度值(cp)0，带入方程g(f,cp)中来判断的其正负；

1.2.3)设置另一个相速度(cp)1，并令(cp)1>(cp)0，把(cp)1带入方程g(f,cp)并判断其正负；

1.2.4)通过判断1.2.2)与1.2.3)的结果是否异号，若为同号，需继续重复1.2.2)、1.2.3)两步工作，直到两者为异号停止，因函数是连续的，函数的解必然存在于使函数出现异号的区间内，假设该区域为[(c

1.2.5)在[(c

1.2.6)重复1.2.2)至1.2.5)的工作，可以求出初始频率下的其它数值解；

1.2.7)此时分再选取多个频率，再把1.2.2)至1.2.6)的工作进行一遍，便可求出对应频率下的相速度；

1.2.8)最终便可以绘制出相速度的频散曲线；

1.2.9)根据相速度与群速度之间对应关系绘制出相应的群速速度频散曲线。

进一步的，所述步骤2)具体步骤如下：

2.1)检测方式和激励信号的选取：采用脉冲串波形作为激励信号，并采用同侧激发接收法的形式，为了能够得到更加清晰的二次谐波信号，测试时所选用模态的Lamb波必须满足群速度匹配和相速度匹配，并且所选用的基频和二倍频Lamb波必须为同种模式，即同时为对称模式或者同时为反对称模态；按照以上两条件对检测所用激励信号的频率进行选择，借助步骤1)中绘制出的金属材料频散曲线，利用频散曲线求出其相应的理论值，选取两个激发效率高且群速度快的Lamb波S1、S2；

2.2)超声换能器及入射角度的确定：选择压电换能器作为检测所用超声换能器，激励信号的输入使用的是超声斜入射法，利用添加具有特定角度的斜楔来控制超声波在材料中的传播特性，对于金属薄板中传播的Lamb波而言，根据Snell定律楔块和试样中所选用S

对于步骤2.2)中入射角度获取具体的步骤可以通过Snell定律的公式求得：

式中c

通过上述的表达式，可以得出Lamb波在金属薄板中传播的Snell定律的表达式如下：

式中c

进一步的，所述步骤3)具体步骤如下：

3.1)下面给出非线性超声参量表征与评价材料损伤的表达式，其非线性表达式为：

σ＝Eε(1+βε) (1)

σ为正应变，ε为正应变，E为弹性模量，β为非线性系数；

正应变ε为：

声速c满足：

质点在x方向上的一维波动方程:

其中ρ是介质的密度，x是波传播的距离，t表示时间，u表示介质位于x处所对应的质点位移；

将(1)、(2)、(3)代入到(4)中，可以得到：

将f′(ε)按泰勒级数的形式展开：

式中的△(ε

将(6)代入到(5)中可以得到：

对于单频正弦波有：

u(0,t)＝sin(wt) (8)

式中w为角速度；

将(8)分别代入(2)和(5)中，采用近似迭代最终可以得到：

式中，A

二次谐波幅值：

故可以得到超声非线性系数：

则β正比与A

3.2)在已经给定的声波频率与声波的传播距离的时候，即k与x保持不变，通过对基频波幅值A

进一步的，所述步骤4)具体步骤如下：

4.1)信号的提取过程：脉冲信号由高能超声系统的信号发生器激发，经过衰减器进行衰减进入低通滤波器进行滤波处理，然后传输到超声压电换能器，电信号通过压电换能器转化成超声信号，并传输到待测试样中；接收端的探头把接收到的超声信号转化成电信号，接收探头将信号传入通道有两条：即经过带通滤波器与前置放大器处理的一条通道CH

4.2)对所收集的时域信号进行短时傅里叶变换STFT或者快速傅里叶变换FFT处理，可以得到相对应的频域信号。

进一步的，所述步骤4)中搭建的非线性超声测试系统包括信号发生器、示波器、计算机、信号衰减器、信号选择器、低通滤波器、信号放大器、带通滤波器、楔块、激励探头、接收探头及待测金属薄板试件；所述信号发生器与示波器及计算机分别电信号连接，所述信号发生器、信号选择器、信号衰减器及低通滤波器依次通过电信号连接在激励探头上；所述接收探头、带通滤波器、信号放大器依次通过一条通道接收连接在信号发生器上，同时所述接收探头通过另一条通道直接连接信号发生器上。

进一步的，所述步骤5)中判断过程如下：利用非线性超声测试系统进行关于不同传播距离下的检测实验，当所得归一化的相对非线性参量与传播距离间呈现线性正比关系时，即验证其与传播距离间具有累积效应，便可以说明该检测系统是可靠的。

本发明的有益效果是：根据金属薄板的相速度曲线和群速度曲线获取建立模型需要的模型参数，并建立超声非线性测试系统验证归一化相对非线性参量β′/β

附图说明

图1为本发明的非线性超声检测试验系统图；

图2为本发明的利用二分法求解频散方程的程序框图；

图3为本发明的同侧激励接收法示意图；

图4为本发明的超声波传播到异种材料交界面的折射示意图；

图5为本发明的时域信号图；

图6为本发明的频域信号图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法，具体步骤如下：

S1:首先用Matlab求解Rayleigh-Lamb方程，绘制出高强钢FV520B板材试件的相速度和群速度的频散曲线。

S101:Rayleigh-Lamb方程的表达式如下：

角频率：w＝2πf，d为的厚度，f为频率，c

S102:最终可以将上述的方程可以看作为g(f,c

S2:基于上述FV520B板材的频散曲线来获取激励频率、特定模态的Lamb波以及所述特定模态的Lamb波的入射角作为模型参数；根据所确定的入射角的大小，制定出相应角度的楔块。

S201:检测方式和激励信号的选取：本文采用脉冲串波形作为激励信号，并采用同侧激发接收法的形式如图3所示。为了能够得到更加清晰的二次谐波信号，测试时所选用模态的Lamb波必须满足群速度匹配和相速度匹配。并且所选用的基频和二倍频Lamb波必须为同种模式，即同时为对称模式或者同时为反对称模式。按照以上两条件对检测所用激励信号的频率进行选择，借助S1中绘制出的材料频散曲线，通过求得理论值并结合实际实验调试情况，最终选取频率f

S202:超声换能器及入射角度的确定：本发明中选择压电换能器作为作为检测所用超声换能器，激励信号的输入使用的是超声斜入射法，利用添加具有特定角度的斜楔来控制超声波在材料中的传播特性。对于薄板中传播的Lamb而言，根据Snell定律有机玻璃楔块和FV520B试样中所选用S

对于S202中入射角度获取具体的步骤可以通过Snell定律的公式求得：

式中c

通过上述的表达式，可以得出Lamb在薄板中传播的Snell定律的表达式如下

式中c

S203:耦合剂的选择：在探头与试样之间需要用耦合剂进行耦合，耦合剂的类型以及耦合剂每次是否均匀使用，都会对非线性超声检测结果带来很大的影响，由于甘油作为耦合剂可提高测量结果的一致性与可重复性，能够降低实验误差，故选用的耦合剂为甘油。

S3:根据S2中特定模态的Lamb波推导归一化相对非线性参量β′/β

S301:下面给出非线性超声参量表征与评价材料损伤的表达式，因固体材料本身应力与应变之间就存在一定的非线性特征，其非线性表达式一般为：

σ＝Eε(1+βε) (1)

σ为正应变，ε为正应变，E为弹性模量，β为非线性系数

正应变ε为：

声速c满足：

质点在x方向上的一维波动方程:

其中ρ是介质的密度，x是波传播的距离，t表示时间，u表示介质位于x处所对应的质点位移。

将(1)，(2)，(3)代入(4)中得到下面公式

将f′(ε)按泰勒级数的形式展开：

式中的△(ε

将(6)代入到(5)中可以得到：

对于单频正弦波有：

u(0,t)＝sin(wt) (8)

式中w为角速度

将(8)代入(2)和(5)中，采用近似迭代最终可以得到：

式中，A

二次谐波幅值：

故可以得到超声非线性系数：

则β正比与A

S302:因此，在已经给定的声波频率与声波的传播距离的时候，即k与x保持不变，只需要通过对基频波幅值A

S4:根据已经确定的模型参数，搭建本发明的非线性超声测试系统：

S401:信号的提取过程：脉冲信号由RAM-5000高能超声系统激发，经过衰减器进行9dB的衰减进入2.25MHz的低通滤波器进行滤波处理，然后传输到2.25MHz的超声压电换能器，电信号通过压电换能器转化成超声信号，并传输到待测试样中。接收端的探头把接收到的超声信号转化成电信号，接收探头将信号传入通道有两条：即经过4.5MHz的带通滤波器与20dB的前置放大器处理的CH

S402:然后对所收集的时域信号进行短时傅里叶变换(STFT)或者快速傅里叶变换(FFT)处理，可以得到相对应的频域信号。本文是对接收的时域信号选用短时傅里叶变换的方式进行处理。短时傅里叶变换后所得的频域信号图如图6所示。

S5:根据S4中建立的非线性检测系统对FV520B薄板进行测试并判断所述归一化相对非线性参量β′/β

根据上述所搭建的检测系统及模型参数，是可以实现对不同损伤状态下的FV520B薄板进行有效的表征。