专利名称：基于wpt策略和df策略的在役az31镁合金结构件疲劳损伤状态表征与定量评估系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及多种疲劳损伤状态的定量评估，更特别地说，是指一种采用WPT策略(即小波包分析法)和DF策略(即双谱分析法)对航空汽车交通中的在役AZ31镁合金进行疲劳损伤状态定量评估的系统。
背景技术：
在航空汽车交通中，在降低产品自重以降低能源消耗和减少污染上占有优势的镁合金的应用越来越广。工程构件在使用一段时间后，作为潜在结构件的AZ31镁合金的疲劳损伤状态对航空汽车交通中产品的使用寿命将造成重要影响。
AZ31镁合金是典型的密排六方结构材料。由于其具有较高的比强度、比弹性模量、阻尼减震性、导热性、静电屏蔽性、机械加工性和极低的密度，且易于回收，被誉为“21世纪绿色工程材料”，在航空、航天、汽车、计算机、通讯和家电等领域具有广阔的应用前景。目前，镁合金作为一种新型结构材料，其抗疲劳和耐久性极其重要，镁及镁合金材料的研究已成为材料界学者研究的热点。镁合金在服役一定的时间后，时常会发生一些失效事故，而损伤是造成其失效的主要原因，为此要对其损伤状态作出定量评估，及时、正确地评价AZ31镁合金结构件的损伤等级，为其安全运行及寿命预测提供依据。声发射技术(Acoustic Emission Technique)因具有动态、实时检测等优点，已广泛的应用于结构和构件的损伤检测。实践表明，不同的疲劳载荷下，其裂纹扩展速率是不同的，这导致裂纹扩展中其裂纹尖端的应力是不同的，这就产生了不同疲劳损伤状态，而在不同疲劳载荷会导致声发射信号在频率，波形上等的变化。因此有必要利用声发射技术作为监测AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态的工具。小波包分析是一种较精细的信号分析方法，它适合对正弦信号进行数据压缩和一维去噪处理，小波包分析可以克服FFT在对非平稳信号在时-频域内分析的限制。小波包WPT的多分辨分析将信号分解为较高的频率分辨率及较低的时间分辨率的低频部分和较高的时间分辨率及较低的频率分辨的高频部分。具有精确细分的特点和较强的时频局部化能力，能很好满足信号特征提取的要求。双谱分析法是信号处理领域非常有用的重要分析工具。它能有效的分析处理非高斯、非线性、非因果信号和高斯有色噪声及盲信号。它从更高概率结构表征随机信号，可弥补二阶统计量(功率谱)不含相位信息、不能提取更多有用信息的缺陷，具有高分辨率和强抗噪声能力等优点。以声发射波形信号数据为基础的小波包分析和双谱分析方法可获得信号的定量特征，因此可以将WPT策略和DF策略相结合应用于疲劳损伤状态的声发射信号处理中，从而得到疲劳损伤状态的定量表征与评估。随着现代工业日益向大规模、高效率发展，作为航空汽车交通中的潜在结构件具有以下几个特点
I、汽车所用燃料的60%是消耗于汽车自重，汽车自重每减轻10%，其燃油效率可提高5%以上；汽车自重每降低100kg，每百公里油耗可减少O. 7L左右，每节约IL燃料可减少C02排放2. 5g，年排放量减少30%以上。所以减轻汽车重量对环境和能源的影响非常大，但是镁合金的塑性变形能力差、易开裂，严重影响了工业化生产，这种现象在实际工程应用中可能会造成灾难性后果，是不容忽视的；2、由于绝大部分航空汽车交通中结构件服役时承受交变载荷，因此失效形式大部分为疲劳失效。据统计，由机械故障引起的事故中，80%以上与材料的疲劳损伤有关；3、目前的损伤检测方法在结构件检测方面都存在不同程度的局限性，如超声波检测和磁粉检测等方法对结构件进行的部分抽样检测，盲目性大、易出现漏检且检测的周期长，工作量大，费用昂贵；4、预警评估系统目前尚不完善，目前应用的分析判别技术还不能对结构件的疲劳损伤做出准确的预警和安全评估，尤其是我国在航空汽车交通中安全事故时有发生，其中， 高周疲劳和低周疲劳所引起的疲劳损伤是航空汽车交通产品结构件主要的损伤状态之一。因此，为确保航空汽车交通产品结构件安全可靠的运行，须对承力件进行检测、判断疲劳损伤状态，从而进行安全评估。

发明内容
为了减少航空汽车交通中结构件在使用过程中，由于疲劳载荷的不同会有不同的疲劳损伤状态，对AZ31镁合金结构件所受的载荷状态的评估对其疲劳失效的预警是很重要的，本发明提出一种采用WPT策略和DF策略对在役AZ31镁合金结构件进行监测，得到声发射波形信号表示的疲劳损伤状态信息，并采用WPT策略和DF策略对其疲劳损伤状态进行定量评估。应用本发明的监测结果能够对AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态进行定量的评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。本发明的一种基于WPT策略和DF策略的在役AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，该系统由声发射波形信号重构单元(I)、疲劳损伤状态评定单元(2)、疲劳损伤状态预测单元(3)和预警单元(4)组成；其中，声发射波形信号重构单元(I)信号分解模块(11)、干扰系数的剔除模块
(12)和信号重构模块(13)组成组成；其中，疲劳损伤模式评定单元(2)由DF估计模块(21)、归一化处理模块(22)和疲劳损伤度计算模块(23)组成组成；声发射信号重构单元(I)对接收的多路传感信息Sv(t)进行信号分解模块(11)得到了小波包分解系数Cli(J)，然后经过干扰系数的剔除模块(12)得到择优小波包分解系数w；dn，最后信号重构模块(13)对择优小波包分解系数(O进行小波包重构，输出声发射重构信号信息F (t)；DF估计模块(21)采用DF策略对声发射重构信号信息F (t)进行处理得到DF估计B (w)，然后归一化处理模块(22)对DF估计B (w)进行归一化分析得到归一化信息Bv，最后疲劳损伤频率计算模块(23)对归一化信息Bv进行处理得到疲劳损伤度值F，所述疲劳损伤度值F经疲劳损伤状态预测单元(3)进行疲劳损伤状态评定，输出疲劳损伤等级信息C(F)；疲劳损伤模式预测模式(4)接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音。
本发明基于WPT策略和DF策略对在役AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态进行评估的系统优点在于(A)本发明使用WPT策略分析方法，将声发射波形进行波形重构，得到了反映AZ31镁合金结构件的疲劳损伤状态的重构信号。这种方法能够有效降低摩擦噪音等对波形的干扰，便于对AZ31镁合金结构件的疲劳损伤状态做出正确的评估。(B)本发明使用DF策略分析方法，将声发射波形信息定量化，得到了反映AZ31镁合金结构件的疲劳损伤状态的定量参数。这种方法较传统的频谱分析方法更为直观准确，并且具有定量化的特点，便于对AZ31镁合金结构件的疲劳损伤状态做出正确的评估。(C)本发明结合声发射技术、WPT策略方法与DF策略分析方法，提出了 AZ31镁合金结构件的重构声发射信号的疲劳损伤频率对疲劳损伤状态进行评估，使得评定结果精确可靠，大大减小了错误的概率。(D)对疲劳损伤下的AZ31镁合金结构件进行了疲劳损伤状态的划分和鉴定。可以简单易行地对未知疲劳损伤状态的AZ31镁合金结构件做出疲劳损伤状态、疲劳损伤程度的评价。(E)使用本发明可以对工况下的AZ31镁合金结构件的疲劳损伤进行实时监测，出现危险情况时可及时预警，因此可以大大减少人员财产的损失，保证安全以及经济效益。


图I是声发射仪与多个传感器连接的简示图。图2是声发射仪中存储有AZ31镁合金疲劳损伤状态定量评估系统的结构框图。图2A是本发明声发射波形信号重构单元结构框图。图2B是本发明疲劳损伤状态评定单元结构框图。图3是声发射波形信息示意图。 图4是本发明的DF归一化信息图。
权利要求
1.一种基于WPT策略和DF策略的在役AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于该系统由声发射波形信号重构单元(I)、疲劳损伤状态评定单元(2)、疲劳损伤状态预测单元(3)和预警单元(4)组成； 其中，声发射波形信号重构单元(I)信号分解模块(11)、干扰系数的剔除模块(12)和信号重构模块(13)组成组成； 其中，疲劳损伤模式评定单元(2)由DF估计模块(21)、归一化处理模块(22)和疲劳损伤度计算模块(23)组成组成； 信号分解重构模块(11)对接收到的多路声发射传感器采集的多路声信息Sv(t)进行小波包函数积分
2.根据权利要求I所述的基于WPT策略和DF策略的在役AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于AZ31镁合金结构件不同疲劳损伤状态的疲劳损伤状态判别等级划分标准表I所示，该表I中的所有信息存储在声发射仪的处理器中；
3.根据权利要求I所述的基于WPT策略和DF策略的在役AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于预警单元(4)接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音。该提示音可以是如喇叭、扩音器等发出的如音乐声等。
全文摘要
本发明公开了一种基于WPT策略和DF策略的在役AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，声发射波形信号重构单元(1)将采集的原始波形信号进行处理输出声发射重构信号。DF估计模块(21)对重构信号进行傅里叶变换输出DF估计给归一化处理模块(22)，其进行归一化电压处理输出对角切片信息给疲劳损伤度计算模块(23)，其进行材料损伤度计算输出疲劳损伤度给疲劳损伤状态预测单元(3)和预警单元(4)进行评定和报警。应用本发明能够对AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态进行直观、定量、实时的评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。
文档编号G01N29/44GK102890119SQ20121037197
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者骆红云, 李静, 韩志远, 孙传凯, 张峥, 钟群鹏 申请人:北京航空航天大学