本發(fā)明涉及一種非線(xiàn)性超聲在線(xiàn)監(jiān)測(cè)金屬材料應(yīng)變變化的方法，屬于金屬材料疲勞損傷分析
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中起到重要支撐和保護(hù)作用的金屬材料構(gòu)件，外界長(zhǎng)期的載荷作用和惡劣環(huán)境導(dǎo)致了力學(xué)性能的不斷退化，其中材料應(yīng)變變化尤為明顯，因此可以通過(guò)對(duì)服役過(guò)程中金屬材料應(yīng)變的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)金屬力學(xué)性能的評(píng)價(jià)。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在金屬材料疲勞度檢測(cè)上的應(yīng)用也很普遍，常用的檢測(cè)方法有紅外檢測(cè)、渦流檢測(cè)、微波檢測(cè)、電磁聲發(fā)射檢測(cè)等方法。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是根據(jù)超聲波在固體材料中傳播過(guò)程中遇到不連續(xù)界面和不均勻介質(zhì)造成聲波的衰減、反射以及散射現(xiàn)象，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非金屬材料、金屬材料多種材料性能評(píng)價(jià)，具有方向性好、穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)安全性重要檢測(cè)手段，但是該方法檢測(cè)缺陷往往是材料的宏觀缺陷，而對(duì)材料性能退化出現(xiàn)應(yīng)變變化不敏感。隨著力學(xué)、聲學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域的一些研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部疲勞損傷和微裂紋引起的非線(xiàn)性力學(xué)行為通過(guò)非線(xiàn)性超聲檢測(cè)方法能夠得到很好的反映，在評(píng)估材料性能方面，非線(xiàn)性超聲方法明顯優(yōu)于其他幾種檢測(cè)方法。所以采用非線(xiàn)性超聲技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬材料應(yīng)變變化的檢測(cè)。非線(xiàn)性超聲方法是基于彈性波理論，采用有限振幅聲波在固體材料中傳播產(chǎn)生的非線(xiàn)性聲學(xué)現(xiàn)象，提取非線(xiàn)性參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)金屬材料應(yīng)變變化的測(cè)量。非線(xiàn)性超聲的理論進(jìn)展有位錯(cuò)弦相關(guān)超聲非線(xiàn)性理論、位錯(cuò)偶超聲非線(xiàn)性相關(guān)理論、塑性相關(guān)的超聲非線(xiàn)性理論等。非線(xiàn)性超聲波檢測(cè)方法主要有有限幅度法、混合頻率響應(yīng)法、次諧波技術(shù)。其中,有限振幅法相對(duì)簡(jiǎn)便、技術(shù)較為成熟且應(yīng)用也最多?；谟邢拚穹?研究者發(fā)展出了不同波型的非線(xiàn)性超聲檢測(cè)技術(shù),如縱波、瑞利表面波、lamb波等。按照損傷類(lèi)型,非線(xiàn)性超聲檢測(cè)相關(guān)研究工作可以分為以下幾類(lèi)：疲勞損傷、熱損傷、蠕變損傷、界面黏接情況等的損傷。其中，工程材料在循環(huán)載荷的作用下,往往會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷，引起位錯(cuò)微觀結(jié)構(gòu)變化、裂紋萌生,從而導(dǎo)致材料性能退化；熱損傷主要是指材料在無(wú)應(yīng)力或較低應(yīng)力狀態(tài)下,由于溫度作用導(dǎo)致的材料性能變化；蠕變是指材料在應(yīng)力不變的情況下,應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象。非線(xiàn)性超聲檢測(cè)方法是近幾十年來(lái)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究的熱點(diǎn)，本發(fā)明采用該方法測(cè)量金屬材料應(yīng)變變化既具有可靠性，又具有可行性。應(yīng)變測(cè)量是指對(duì)材料在變形過(guò)程中的應(yīng)力(包括大小和方向)進(jìn)行分析。應(yīng)力不能直接進(jìn)行測(cè)量，但可以間接地通過(guò)對(duì)變形或應(yīng)變的測(cè)量而獲得，故測(cè)量技術(shù)成為影響應(yīng)力測(cè)量準(zhǔn)確性的一個(gè)重要因素。常見(jiàn)的測(cè)量技術(shù)有：(1)二維的光學(xué)測(cè)量軟件：該軟件通過(guò)測(cè)量板材上印制的圓形網(wǎng)格幾何量的變化，計(jì)算應(yīng)變值并繪制出成形極限曲線(xiàn)。(2)三維的光學(xué)測(cè)量軟件：三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)是相對(duì)于二維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)的，它又分為三維離線(xiàn)光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)和三維在線(xiàn)光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。它們都是通過(guò)分析材料表面所印制網(wǎng)格在加載前后的變形來(lái)測(cè)量加載后材料內(nèi)部應(yīng)力的分布情況的，只不過(guò)離線(xiàn)測(cè)量只關(guān)心加載后的結(jié)果，而在線(xiàn)測(cè)量更關(guān)心材料的變形過(guò)程。(3)光學(xué)杠桿應(yīng)變測(cè)量法：光學(xué)杠桿法測(cè)量系統(tǒng)將測(cè)量杠桿作為接觸測(cè)量工具，利用激光杠桿將微位移量放大，并用ccd攝像機(jī)作為視覺(jué)測(cè)量手段，實(shí)現(xiàn)了接觸式與非接觸式測(cè)量的結(jié)合。通過(guò)改變加載在被測(cè)材料上的電場(chǎng)強(qiáng)度,得到材料不同的變形量，然后利用光學(xué)杠桿測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，從而可得到材料的應(yīng)變隨加載電場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律。(4)光纖傳感器應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)：光纖應(yīng)變測(cè)量的基本原理是:把光纖粘貼在物體表面或預(yù)埋在物體內(nèi)部，當(dāng)物體受載荷或因其它因素作用發(fā)生變形時(shí)，光纖隨之產(chǎn)生量級(jí)相等的變形，引起光纖內(nèi)傳輸光的光程和纖芯的折射率發(fā)生變化，從而使傳輸光的相位發(fā)生改變。通過(guò)測(cè)量光纖中波導(dǎo)光的相位變化，進(jìn)而推導(dǎo)出物體所發(fā)生的變形，即可計(jì)算出物體的應(yīng)變值。(5)光纖bragg光柵應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。(6)應(yīng)變測(cè)量傳感器?？梢?jiàn)，現(xiàn)有應(yīng)變變化測(cè)量技術(shù)主要集中于光學(xué)領(lǐng)域，檢測(cè)方法復(fù)雜且設(shè)備造價(jià)高。綜上所述，本發(fā)明采用非線(xiàn)性超聲檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)金屬材料應(yīng)變變化的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，降低了金屬材料應(yīng)變檢測(cè)的成本，同時(shí)推進(jìn)了非線(xiàn)性超聲檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方面的發(fā)展，極具商業(yè)價(jià)值。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：非線(xiàn)性超聲檢測(cè)是根據(jù)超聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí)材料損傷積累與其相互作用，波形會(huì)發(fā)生非線(xiàn)性失真、畸變以及高次諧波產(chǎn)生等現(xiàn)象的非線(xiàn)性響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行材料性能的評(píng)估和微小損傷的檢測(cè)，本質(zhì)上是對(duì)材料屬性和損傷的反映。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本方法采用的技術(shù)方案為一種非線(xiàn)性超聲在線(xiàn)監(jiān)測(cè)金屬材料應(yīng)變變化的方法，首先根據(jù)固體材料內(nèi)的一維非線(xiàn)性超聲波動(dòng)方程：其中k2為固體材料的二階彈性常數(shù)彈性常數(shù)，k3為固體材料的三階彈性常數(shù)，ρ是固體材料的密度，u是聲波在固體材料傳播過(guò)程中引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的位移，u是關(guān)于(x,t)的函數(shù)，x表示位于x坐標(biāo)軸的位置，t是聲波傳播的時(shí)間。假設(shè)入射聲波形式為：u(0,t)＝asin(ωt)，u是入射聲波引起的質(zhì)點(diǎn)位移，ω是入射聲波的角頻率，t是聲波傳播時(shí)間，a是入射聲波振動(dòng)幅值。代入式(1)中進(jìn)行求解得到：其中a1是基波幅值，k是聲波波數(shù)，k＝ω/c，x是聲波傳播距離。β是非線(xiàn)性參數(shù)，β與k2、k3有關(guān)，為：定義式(2)中二次諧波幅值a2：將式(4)表達(dá)式進(jìn)行整理，得到非線(xiàn)性參數(shù)另一種表達(dá)形式：由式(5)看出非線(xiàn)性參數(shù)與聲波的波數(shù)、傳播距離，基波和二次諧波幅值有關(guān)。檢測(cè)過(guò)程中，聲波的波數(shù)k和傳播距離x是固定值，將非線(xiàn)性參數(shù)進(jìn)一步化簡(jiǎn)，使用相對(duì)超聲非線(xiàn)性參數(shù)β′：β′表示超聲非線(xiàn)性參數(shù)數(shù)β的變化情況。材料的早期力學(xué)性能退化會(huì)導(dǎo)致材料的彈性常數(shù)發(fā)生變化，因此非線(xiàn)性參數(shù)可以表征材料力學(xué)性能的變化。但是由于材料的高階彈性常數(shù)很難實(shí)現(xiàn)測(cè)量，根據(jù)非線(xiàn)性波動(dòng)方程求解得到非線(xiàn)性參數(shù)的諧波幅值表達(dá)公式，即式(6)實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性參數(shù)的測(cè)量。由式(6)可知，通過(guò)測(cè)量非線(xiàn)性聲波的基波幅值與二次諧波幅值就實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性參數(shù)的計(jì)算。該參數(shù)的變化反映了此時(shí)材料力學(xué)性能狀況，從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品應(yīng)變變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。非線(xiàn)性聲波的諧波幅值微弱，容易收到測(cè)量?jī)x器及噪聲的干擾，造成測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確性。假設(shè)進(jìn)行了n次非線(xiàn)性聲波測(cè)量，可以得到基波幅值、二次諧波幅值為a1(i)，a2(i)，i取值范圍為1，2，3...n，n取正整數(shù)。本方法采用矯正后的非線(xiàn)性參數(shù)具體如下：其中矯正后非線(xiàn)性參數(shù)滿(mǎn)足取得最小值，降低測(cè)量過(guò)程的誤差?；谝环N非線(xiàn)性超聲在線(xiàn)監(jiān)測(cè)金屬材料應(yīng)變變化的方法搭建的一種非線(xiàn)性超聲在線(xiàn)監(jiān)測(cè)金屬材料應(yīng)變變化的裝置，如圖2所示。該裝置包括非線(xiàn)性超聲檢測(cè)設(shè)備1、控制主機(jī)2、濾波器3、雙工器4、50歐姆阻抗匹配5、支撐架6、超聲換能器7、重物8和待測(cè)試件；超聲換能器7設(shè)置在待測(cè)試件上并安裝支撐架6內(nèi)，待測(cè)試件與和重物8連接；非線(xiàn)性超聲檢測(cè)設(shè)備1通過(guò)50歐姆阻抗匹配5和雙工器4連接，超聲換能器7與雙工器4進(jìn)行交互；雙工器4通過(guò)濾波器3與非線(xiàn)性超聲檢測(cè)設(shè)備1連接；非線(xiàn)性超聲檢測(cè)設(shè)備1由控制主機(jī)2控制；雙工器4用來(lái)將激勵(lì)信號(hào)與發(fā)射信號(hào)分別通過(guò)不同線(xiàn)路傳送；濾波器3用來(lái)提取非線(xiàn)性超聲高頻信號(hào)；50歐姆阻抗匹配5用以激勵(lì)電信號(hào)的發(fā)送；控制主機(jī)2實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)參數(shù)的設(shè)置以及信號(hào)采集顯示和存儲(chǔ)。整個(gè)裝置分為金屬材料在線(xiàn)應(yīng)變檢測(cè)部分、聲波發(fā)射和接收部分以及接收非線(xiàn)性超聲參數(shù)的處理。步驟一：制作鋁合金板材，鋁合金板材作為待測(cè)試件，待測(cè)試件的中間放置探頭。步驟二：將待測(cè)試件的兩端固定，待測(cè)試件的中間懸掛一個(gè)重物8，通過(guò)重物8的重力對(duì)待測(cè)試件產(chǎn)生拉伸進(jìn)行產(chǎn)生疲勞。在待測(cè)試件上制作在線(xiàn)監(jiān)測(cè)應(yīng)變的支撐架6，支撐架6內(nèi)放置超聲換能器7。步驟三：搭建一種非線(xiàn)性超聲在線(xiàn)監(jiān)測(cè)金屬材料應(yīng)變變化的裝置。控制主機(jī)2與非線(xiàn)性聲學(xué)檢測(cè)設(shè)備1之間通過(guò)信號(hào)線(xiàn)相連，控制主機(jī)2內(nèi)設(shè)有非線(xiàn)性聲學(xué)測(cè)量軟件，采用軟件設(shè)定的各種參數(shù)控制非線(xiàn)性聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的硬件激勵(lì)和接收超聲波信號(hào)，信號(hào)采集完成后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理；非線(xiàn)性聲學(xué)檢測(cè)設(shè)備1的高能脈沖信號(hào)輸出端通過(guò)50歐姆阻抗匹配5、雙工器4后，與超聲波換能器7進(jìn)行交互，經(jīng)待測(cè)試件反射后接收反射的超聲波信號(hào)，一路信號(hào)直接送入非線(xiàn)性聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)通道1，通過(guò)非線(xiàn)性聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的射頻信號(hào)監(jiān)控端與信號(hào)選擇器相連，將接收信號(hào)送入數(shù)字示波器，采集到基波。由于二次諧波的幅值要比基波的弱的多，很難采集到二次諧波，所以需連接濾波器3將基波成分濾掉來(lái)采集二次諧波。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。步驟四：非線(xiàn)性聲學(xué)信號(hào)的處理。使用非線(xiàn)性超聲檢測(cè)裝置采集非線(xiàn)性聲學(xué)信號(hào)，測(cè)量載荷加載下待測(cè)試件的非線(xiàn)性參數(shù)變化，并將非線(xiàn)性參數(shù)正則化，繪制參數(shù)-時(shí)間變化曲線(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)待測(cè)試件的金屬材料應(yīng)變變化在線(xiàn)測(cè)量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)可以評(píng)價(jià)外界載荷長(zhǎng)期作用下在役工件的力學(xué)狀況，降低了由于金屬工件斷裂失效造成的工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明采用非線(xiàn)性超聲檢測(cè)手段，很好地解決了現(xiàn)有設(shè)備成本高、操作復(fù)雜的缺點(diǎn)，該技術(shù)極具有商業(yè)應(yīng)用的推廣價(jià)值。附圖說(shuō)明圖1樣品型號(hào)及尺寸。圖2裝置結(jié)構(gòu)圖。圖3信號(hào)采集及處理流程圖。圖4正則化的流程圖。圖中：1、非線(xiàn)性超聲檢測(cè)設(shè)備，2、控制主機(jī)，3、濾波器，4、雙工器，5、50歐姆阻抗匹配，6、支撐架，7、超聲換能器，8、重物。具體實(shí)施方式本發(fā)明提供一種非線(xiàn)性超聲在線(xiàn)監(jiān)測(cè)金屬材料應(yīng)變變化的裝置，分為金屬材料在線(xiàn)應(yīng)變檢測(cè)部分、聲波發(fā)射和接收部分以及接收非線(xiàn)性超聲參數(shù)的處理。步驟一：為了驗(yàn)證本方法，制作一塊長(zhǎng)*寬*高尺寸為20*4*1(單位：cm)ly12鋁合金板材，如圖1所示，試件中間的圓圈為放置探頭的地方。如圖示1。表1ly12鋁合金試件的參數(shù)長(zhǎng)(cm)寬(cm)高(cm)縱波速度(m/s)橫波速度(m/s)試件20416345.852365.82步驟二：將制作的板材兩端固定，中間懸掛一個(gè)重物以產(chǎn)生一定的疲勞。在板材上制作在線(xiàn)監(jiān)測(cè)應(yīng)變的支撐架，放置超聲換能器。步驟三：搭建一種非線(xiàn)性超聲在線(xiàn)監(jiān)測(cè)金屬材料應(yīng)變變化的裝置。步驟四：非線(xiàn)性聲學(xué)信號(hào)的處理。使用非線(xiàn)性超聲檢測(cè)裝置每隔2小時(shí)采集一組非線(xiàn)性聲波的基波幅值和二次諧波幅值，采用矯正公式計(jì)算非線(xiàn)性參數(shù)，并將連續(xù)跟蹤采集168小時(shí)(7天)的參數(shù)正則化，得到參數(shù)-時(shí)間曲線(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)金屬材料力學(xué)狀況監(jiān)測(cè)。步驟三中，計(jì)算機(jī)與非線(xiàn)性聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)之間通過(guò)信號(hào)線(xiàn)相連，采用軟件設(shè)定各種參數(shù)控制非線(xiàn)性聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)硬件激勵(lì)和接收超聲波信號(hào)、并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理；非線(xiàn)性聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的高能脈沖信號(hào)輸出端通過(guò)50ω負(fù)載、衰減器，然后與超聲波換能器相連，經(jīng)試件反射后接收反射的超聲波信號(hào)，一路信號(hào)直接送入非線(xiàn)性聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)通道1，通過(guò)非線(xiàn)性聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的射頻信號(hào)監(jiān)控端與信號(hào)選擇器相連，將接收信號(hào)送入數(shù)字示波器，這樣就采集到基波了。由于二次諧波的幅值要比基波的弱的多，很難采集到二次諧波，所以需連接高通濾波器將基波成分濾掉來(lái)采集二次諧波。信號(hào)采集及處理流程圖，如圖3所示。步驟四中，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和減少偶然因素的不良影響，實(shí)驗(yàn)中每次測(cè)量都保證探頭放置在試件的同一位置(本方法將探頭放在了試件的中間)，并且檢測(cè)時(shí)重復(fù)進(jìn)行10次測(cè)量，如圖1所示為測(cè)試點(diǎn)的位置。本實(shí)驗(yàn)采集的時(shí)域信號(hào)為離散信號(hào)，需要加窗截取其中的一段信號(hào)進(jìn)行分析。對(duì)截取的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到基波幅值；對(duì)截取的信號(hào)先用高通濾波器濾波再進(jìn)行時(shí)頻域分析得到二次諧波幅值。之后就可以將基波幅值和二次諧波幅值帶入本發(fā)明提出的校正公式(7)來(lái)進(jìn)行計(jì)算非線(xiàn)性參數(shù)大小。加窗函數(shù)會(huì)對(duì)信號(hào)的提取有兩方面的影響：第一，所選窗函數(shù)頻譜的主瓣會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的頻譜在理想的截止頻率位置出現(xiàn)過(guò)渡帶；第二，所選窗函數(shù)的頻譜旁瓣會(huì)造成的吉布斯效應(yīng)。表現(xiàn)為頻譜中信號(hào)的主瓣寬度、幅值和旁瓣的相對(duì)幅度發(fā)生改變。綜合考慮窗函數(shù)本身的頻譜特性和待處理信號(hào)的特點(diǎn)，應(yīng)采取旁瓣高度隨頻率盡快衰減，或者采取增加主瓣寬度以換取對(duì)旁瓣的抑制，采用各參數(shù)適中的漢寧窗。最后，還需要繪制非線(xiàn)性聲學(xué)參數(shù)隨加載負(fù)載時(shí)間增長(zhǎng)的變化曲線(xiàn)。在連續(xù)監(jiān)測(cè)168小時(shí)內(nèi)，非線(xiàn)性檢測(cè)設(shè)備會(huì)受到外界環(huán)境和人為操作失誤影響。為了降低監(jiān)測(cè)結(jié)果的不準(zhǔn)確性，采用正則化處理連續(xù)監(jiān)控獲得大量數(shù)據(jù)。正則化的流程圖如圖4所示。通過(guò)正則化實(shí)現(xiàn)限制非線(xiàn)性參數(shù)巨大波動(dòng)的目的，建立線(xiàn)性方程組ax＝β，其中a是設(shè)計(jì)矩陣，β是非線(xiàn)性參數(shù)。判斷該方程組是否存在唯一解，若存在唯一解則不需要進(jìn)行正則化處理。否則，需要對(duì)線(xiàn)性方程組根據(jù)吉洪諾夫準(zhǔn)則進(jìn)行處理后在求解。使用||ax-β||2+||γx||2的方法來(lái)求解方程組，其中γ是吉洪諾夫矩陣為單位矩陣，||·||表示歐氏2范數(shù)。所得x＝(ata+γtγ)-1atβ，即為正則化非線(xiàn)性參數(shù)。當(dāng)前第1頁(yè)12