本發(fā)明涉及材料的疲勞損傷檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種在承受循環(huán)拉伸載荷條件下，獲取金屬構(gòu)件的疲勞裂紋擴(kuò)展模擬聲發(fā)射信號(hào)的方法。

背景技術(shù)：

目前，研究金屬構(gòu)件疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的常用方法就是開展疲勞試驗(yàn)并使用無損檢測(cè)手段來輔助獲取其他參數(shù)。但是由于載荷的循環(huán)次數(shù)較大(少則數(shù)十萬次，多則數(shù)月)的原因，導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)材料的疲勞試驗(yàn)所需時(shí)間長、一次試驗(yàn)所需的經(jīng)費(fèi)支出高。另外，目前可以使用有限元分析直接求得斷裂參數(shù)，但是卻無法使用設(shè)備直接測(cè)出循環(huán)載荷作用下金屬構(gòu)件材料的斷裂力學(xué)參數(shù)。部分學(xué)者在ABAQUS中開發(fā)出的疲勞單元可用于預(yù)測(cè)金屬構(gòu)件的疲勞壽命，并沒有涉及裂紋擴(kuò)展引起的構(gòu)件表面振動(dòng)位移的研究(李長安，2008)。

金屬構(gòu)件材料在交替循環(huán)拉伸載荷作用下，會(huì)逐漸出現(xiàn)累積損傷，這將直接導(dǎo)致材料的力學(xué)性能退化。金屬構(gòu)件的疲勞會(huì)從微裂紋萌生階段開始，緊接著產(chǎn)生的眾多微裂紋會(huì)隨著晶界緩慢移動(dòng)并聚集，微裂紋的堆積和聚合會(huì)促進(jìn)其繼續(xù)生長。伴隨著裂尖區(qū)域發(fā)生塑性變形，材料進(jìn)入長時(shí)間的穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段，直至材料疲勞斷裂(王呈棟,2011)。如果可以對(duì)金屬構(gòu)件的損傷狀態(tài)做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，就可以在疲勞裂紋進(jìn)入失穩(wěn)斷裂階段之前做出預(yù)防處理，從根本上防止作業(yè)事故的發(fā)生。

金屬構(gòu)件的累積損傷過程中會(huì)伴隨應(yīng)變能的釋放，其中一部分應(yīng)變能以彈性波的形式釋放而引起構(gòu)件表面的微弱振動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為聲發(fā)射(李孟源,2010)。整個(gè)過程中的微弱振動(dòng)可以被聲發(fā)射傳感器捕獲而輸出聲發(fā)射信號(hào)。這樣，聲發(fā)射信號(hào)中蘊(yùn)含著裂紋的相關(guān)信息，可以利用它更好地評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的損傷程度，從而根據(jù)損傷級(jí)別提前預(yù)警以預(yù)防免災(zāi)難性事故發(fā)生。

因此，針對(duì)目前通過試驗(yàn)獲取金屬構(gòu)件疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)時(shí)存在的周期長、試驗(yàn)步驟繁瑣和成本高等問題，找到一種快速方便且低成本的方法來獲取疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)就具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于虛擬裂紋閉合法獲取模擬聲發(fā)射信號(hào)的方法，以克服通過疲勞聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)來獲取金屬構(gòu)件疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)的周期長、試驗(yàn)步驟繁瑣和成本高的問題；本發(fā)明同時(shí)避免了不同工作環(huán)境溫度和沖擊載荷的影響。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于虛擬裂紋閉合法獲取模擬聲發(fā)射信號(hào)的方法，包括以下步驟：

(1)建立基于有限元分析的聲發(fā)射信號(hào)幅值表達(dá)式：

對(duì)聲發(fā)射傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行拉氏變換后，得聲發(fā)射傳感器輸出電壓幅值為：

式中：s為聲發(fā)射傳感器與被檢測(cè)結(jié)構(gòu)接觸的面積，單位m²；u(x，y，z)為被檢測(cè)接觸面的位移，單位為m；K為聲發(fā)射傳感器增益；g(x，y)為聲發(fā)射傳感器的表面靈敏度；

聲發(fā)射傳感器的電壓輸出U₀與其增益K、被檢測(cè)接觸面的位移u(x，y，z)及聲發(fā)射傳感器響應(yīng)頻率f₀之間的關(guān)系如下式：

U₀＝Kuf₀ (1-2)

f₀為聲發(fā)射傳感器中心頻率；

(2)使用基于虛擬裂紋閉合法的聲發(fā)射疲勞單元獲取金屬構(gòu)件在特定載荷作用下的疲勞裂紋模擬聲發(fā)射信號(hào)。

進(jìn)一步的，所述聲發(fā)射疲勞單元，在虛擬裂紋閉合法理論的基礎(chǔ)上，利用ABAQUS軟件的用戶單元子程序功能，開發(fā)獲得。

進(jìn)一步的，所述聲發(fā)射疲勞單元的工作如下：一個(gè)載荷步開始，聲發(fā)射疲勞單元結(jié)合虛擬裂紋閉合法計(jì)算裂尖單元的能量釋放率，然后使用G準(zhǔn)則來判斷該能量釋放率是否滿足裂紋擴(kuò)展條件；如果滿足，將與此能量釋放率相等效的應(yīng)力值加載到金屬構(gòu)件模型的裂尖表面，獲取金屬構(gòu)件表面的振動(dòng)位移數(shù)據(jù)；然后利用公式(1-2)計(jì)算模擬聲發(fā)射信號(hào)；同時(shí)釋放該裂尖單元并向前推移一個(gè)單元長度并判斷此時(shí)的裂紋擴(kuò)展長度是否達(dá)到材料的寬度，若不滿足，則進(jìn)行如下一循環(huán)分析步；若滿足，則說明材料斷裂，整個(gè)分析求解過程結(jié)束。

進(jìn)一步的，步驟(1)中u(x，y，z)采用彈性波動(dòng)理論在有限元分析軟件中求解得到。

本發(fā)明一種基于虛擬裂紋閉合法獲取模擬聲發(fā)射信號(hào)的方法，通過分析聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及其基本檢測(cè)原理，在彈性波動(dòng)理論的基礎(chǔ)上獲得了基于有限元分析的金屬構(gòu)件的疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)的幅值表達(dá)式。然后，在虛擬裂紋閉合法理論的基礎(chǔ)上，利用ABAQUS軟件的用戶單元子程序功能，開發(fā)可用于獲取金屬構(gòu)件疲勞裂紋模擬聲發(fā)射信號(hào)的聲發(fā)射疲勞單元。在ABAQUS中建立金屬構(gòu)件的有限元模型，使用基于虛擬裂紋閉合法的聲發(fā)射疲勞單元獲取金屬構(gòu)件在特定載荷作用下的疲勞裂紋模擬聲發(fā)射信號(hào)。

進(jìn)一步的，所述聲發(fā)射疲勞單元的步驟如下：

①一個(gè)載荷步開始，計(jì)算裂尖單元的能量釋放率；能量釋放率的計(jì)算公式為：

式中，B為裂紋體的厚度；F_y為y方向上的節(jié)點(diǎn)力，節(jié)點(diǎn)力的計(jì)算通過有限元分析求解；Δv為裂尖后面的張開位移，Δa為裂尖前面的虛擬擴(kuò)展量；

②判斷能量釋放率的值是否滿足G準(zhǔn)則：

如果滿足G準(zhǔn)則，說明當(dāng)前單元達(dá)到了裂紋擴(kuò)展條件；將與能量釋放率等效的應(yīng)力加載到裂尖擴(kuò)展表面，獲取該瞬態(tài)力作用下的材料表面的振動(dòng)位移；如果G準(zhǔn)則條件不滿足，則繼續(xù)在循環(huán)載荷下計(jì)算裂尖單元的能量釋放率；

③利用②中得到的振動(dòng)位移數(shù)據(jù)，根據(jù)選取的聲發(fā)射傳感器確定其表面靈敏度、傳感器增益、傳感器響應(yīng)頻率和傳感器與被測(cè)零件表面接觸面積，根據(jù)公式(1-2)來計(jì)算模擬聲發(fā)射信號(hào)幅值并輸；

④模擬聲發(fā)射信號(hào)幅值輸出完畢后，將裂尖單元向前推移一個(gè)單元長度，并判斷裂紋長度是否達(dá)到材料的寬度；

⑤如果裂紋長度大于等于金屬構(gòu)件模型的寬度，則說明材料斷裂；反之，進(jìn)入下一個(gè)載荷步即步驟①繼續(xù)計(jì)算，循環(huán)往復(fù)，直至金屬構(gòu)件模型斷裂。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)在彈性波動(dòng)理論的基礎(chǔ)上，得到了基于有限元分析的聲發(fā)射信號(hào)幅值表達(dá)式，為后續(xù)獲得金屬構(gòu)件疲勞裂紋模擬聲發(fā)射信號(hào)奠定理論基礎(chǔ)。

(2)將虛擬裂紋閉合法和ABAQUS的用戶單元功能相結(jié)合，開發(fā)出了用于獲取金屬構(gòu)件的疲勞裂紋擴(kuò)展聲發(fā)射信號(hào)的聲發(fā)射疲勞單元。該單元避免了斷裂參數(shù)有限元分析中離散、復(fù)雜的操作過程，具有高度集成特性，在將此單元用于其他應(yīng)用場合時(shí)只需經(jīng)過簡單的參數(shù)修改。

(3)ABAQUS強(qiáng)大的用戶功能子程序單元可以模擬不同的工作環(huán)境，可以在有限元分析中添加隨機(jī)噪聲和沖擊，使有限元仿真環(huán)境貼合實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境。

附圖說明

圖1為聲發(fā)射疲勞單元流程圖；

圖2為金屬構(gòu)件尺寸圖；其中圖2(a)為主視圖；圖2(b)為仰視圖；

圖3為金屬構(gòu)件有限元模型網(wǎng)格劃分圖；

圖4為節(jié)點(diǎn)1的聲發(fā)射信號(hào)時(shí)頻曲線；其中，圖4(a)為時(shí)域波形；圖4(b)為頻譜分布；

圖5為節(jié)點(diǎn)332的聲發(fā)射信號(hào)時(shí)頻曲線；其中，圖5(a)為時(shí)域波形；圖5(b)為頻譜分布；

圖6為節(jié)點(diǎn)667的聲發(fā)射信號(hào)時(shí)頻曲線；其中，圖6(a)為時(shí)域波形；圖6(b)為頻譜分布；

圖7為三次不同裂紋擴(kuò)展時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的能量衰減曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施實(shí)例來詳細(xì)說明本發(fā)明。

一種基于虛擬裂紋閉合法獲取模擬聲發(fā)射信號(hào)的方法，包括以下步驟：

(1)建立基于有限元分析的聲發(fā)射信號(hào)幅值表達(dá)式

分析了聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及其基本檢測(cè)原理，在傳遞函數(shù)理論基礎(chǔ)上，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行拉氏變換后可得聲發(fā)射傳感器輸出電壓幅值為：

式中：s為聲發(fā)射傳感器與被檢測(cè)結(jié)構(gòu)接觸的面積，單位m²；u(x，y，z)為被檢測(cè)接觸面的位移，單位為m；K為聲發(fā)射傳感器增益；g(x，y)為聲發(fā)射傳感器的表面靈敏度。

聲發(fā)射傳感器的電壓輸出U₀與其增益K、被檢測(cè)接觸面的位移u(x，y，z)及聲發(fā)射傳感器響應(yīng)頻率f₀之間的關(guān)系可用如下式子描述

U₀＝Kuf₀ (1-2)

u(x，y，z)可以采用彈性波動(dòng)理論在有限元分析軟件中求解得到，對(duì)于特定的聲發(fā)射傳感器，其中心頻率是確定的。而增益K則與聲發(fā)射傳感器匹配的前置放大器有關(guān)。因此，只要求得金屬構(gòu)件表面由于裂紋擴(kuò)展而引起的振動(dòng)位移u(x，y，z)，就可以獲得基于有限元分析的金屬構(gòu)件的疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)的幅值表達(dá)式。

(2)開發(fā)聲發(fā)射疲勞單元

在虛擬裂紋閉合法理論的基礎(chǔ)上，利用ABAQUS軟件的用戶單元子程序功能，開發(fā)可用于獲取金屬構(gòu)件疲勞裂紋模擬聲發(fā)射信號(hào)的聲發(fā)射疲勞單元。

聲發(fā)射疲勞單元的主要步驟如下：

①一個(gè)載荷步開始，計(jì)算裂尖單元的能量釋放率；能量釋放率的計(jì)算公式為：

式中，B為裂紋體的厚度。F_y為y方向上的節(jié)點(diǎn)力，節(jié)點(diǎn)力的計(jì)算通過有限元分析求解；Δv為裂尖后面的張開位移，Δa為裂尖前面的虛擬擴(kuò)展量。

②判斷能量釋放率的值是否滿足G準(zhǔn)則。

如果滿足G準(zhǔn)則，說明當(dāng)前單元達(dá)到了裂紋擴(kuò)展條件。裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的瞬態(tài)力作用在裂尖表面會(huì)引起材料表面的振動(dòng)位移，聲發(fā)射傳感器就是捕捉這個(gè)振動(dòng)位移信號(hào)然后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后放大輸出。因此，將與能量釋放率等效的應(yīng)力加載到裂尖擴(kuò)展表面，獲取該瞬態(tài)力作用下的材料表面的振動(dòng)位移；如果G準(zhǔn)則條件不滿足，則繼續(xù)在循環(huán)載荷下計(jì)算裂尖單元的能量釋放率；

③利用②中得到的振動(dòng)位移數(shù)據(jù)，根據(jù)選取的聲發(fā)射傳感器確定其表面靈敏度、傳感器增益、傳感器響應(yīng)頻率和傳感器與被測(cè)零件表面接觸面積，根據(jù)公式(1-2)來計(jì)算模擬聲發(fā)射信號(hào)幅值并輸出到ABAQUS.dat文件中；

④模擬聲發(fā)射信號(hào)幅值輸出完畢后，將裂尖單元向前推移一個(gè)單元長度，并判斷裂紋長度是否達(dá)到材料的寬度。

⑤如果裂紋長度大于等于金屬構(gòu)件模型的寬度，則說明材料斷裂。反之，進(jìn)入下一個(gè)載荷步即步驟①繼續(xù)計(jì)算，循環(huán)往復(fù)，直至金屬構(gòu)件模型斷裂。

聲發(fā)射疲勞單元的開發(fā)流程如圖1所示。

基于虛擬裂紋閉合法的聲發(fā)射疲勞單元使用算例：

在ABAQUS中建立金屬構(gòu)件的有限元模型，該金屬構(gòu)件模型預(yù)制有尺寸為8mm×1mm×2mm的初始缺口。該模型的材料選用Q235鋼，彈性模量E＝210Gpa，密度ρ＝7850kg/m³，泊松比μ＝0.27。金屬構(gòu)件的尺寸如圖2所示，網(wǎng)格劃分完畢后的有限元模型如圖3所示。

有限元分析中，加載條件如下：金屬構(gòu)件承受最大載荷為P_max＝40kN、應(yīng)力比為0.1的循環(huán)交替拉伸載荷。

使用步驟(2)中得到的基于虛擬裂紋閉合法的聲發(fā)射疲勞單元獲取金屬構(gòu)件在特定載荷作用下的疲勞裂紋模擬聲發(fā)射信號(hào)。在有限元模型中垂直于表面缺口長度的方向上選取三個(gè)均布節(jié)點(diǎn)，依次遠(yuǎn)離表面預(yù)制缺口，圖4～圖6分別為上述加載條件下的得到的三個(gè)節(jié)點(diǎn)處的模擬聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域和頻域波形。

在三次不同的裂紋擴(kuò)展中，對(duì)沿傳播路徑上的不同節(jié)點(diǎn)處的振幅進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得到聲發(fā)射信號(hào)能量隨著傳播距離的增加時(shí)能量的衰減規(guī)律。圖7為三次不同裂紋擴(kuò)展時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的能量衰減圖。

本發(fā)明在虛擬裂紋閉合法理論的基礎(chǔ)上，利用ABAQUS軟件的用戶單元子程序功能，開發(fā)了一種聲發(fā)射疲勞單元，使用這種用戶單元可以方便的獲取金屬構(gòu)件的疲勞裂紋擴(kuò)展模擬聲發(fā)射信號(hào)。使用與有限元分析中尺寸相同的金屬構(gòu)件開展疲勞聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)，使用北京聲華公司的聲發(fā)射檢測(cè)儀檢測(cè)疲勞試驗(yàn)中的聲發(fā)射信號(hào)；將3個(gè)采集點(diǎn)處的試驗(yàn)信號(hào)和仿真信號(hào)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)信號(hào)的變化趨勢(shì)是吻合的，并且隨著采集點(diǎn)距離裂紋越遠(yuǎn)，聲發(fā)射信號(hào)的能量越弱。