疲劳破坏预测和结构完整性评定的无损检测的嵌入式缺陷的概率建模和尺寸测定的制作方法
【专利说明】疲劳破坏预测和结构完整性评定的无损检测的嵌入式缺陷 的概率建模和尺寸测定
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请根据 35U. S. C. § 119(e)要求题目 "PROBABILISTIC MODELING AND QUANTIFICATION OF EMBEDDED FLAWS IN ULTRASONIC NON-DESTRUCTIVE INSPECTION AND ITS APPLICATION"、于2013年I月4日提交的美国临时申请No. 61/748,846的权益，其全 部以引用的方式并入本文，并且本申请要求其优先权的权益。
技术领域
[0003] 本专利申请涉及依据无损检查（NDE)数据和疲劳模型参数考虑不确定性的概率 性疲劳寿命预测的方法。
【背景技术】
[0004] 钢铁和合金结构是民用、航空、船舶和发电系统的基本部分。自从20世纪70年代 早期，无损检查（在下文中，"NDE"）和无损（在下文中，"NDT"）技术已经是有效的量度，以 评估那些结构和系统的制造质量和运彳丁完整性。很多NDT和NDE技术包括超声检测、磁颗 粒检测、电磁检测、射线检测、渗透检测、声发射和视觉检测。具体地，现有技术超声NDE技 术提供在不需要破坏结构的情况下，获取关于结构的内部缺陷（诸如空隙和裂纹之类）的 信息的机会。这个信息可以与机械和材料性质整合，以允许疲劳寿命预测和风险管理。
[0005] 安排的NDE有时对于经历依赖时间的退化的结构是强制的。在线或者现场检测在 制造阶段时比检测更难，并且缺陷识别和尺寸测定的不确定性由于对于测试的更复杂条件 可能大得多。NDE的质量依赖与很多不确定因素，包括检测仪器的敏感度、正被检测的目标 结构的服务条件、材料性质的可变性、操作过程和人员等。将可期望具有这些不确定性的科 学量化，以产生可靠的并且多信息的检测结果。典型地，不确定性的确定性处理包括安全性 因素的使用。然而，安全性因素的确定基本依赖于体验和专家判断，这对于诸如不具有强的 领域知识的工程师之类的检测人员不是轻松任务。
【发明内容】
[0006] 公开依据无损检查（NDE)数据和疲劳模型参数考虑不确定性的概率性疲劳寿命 预测的方法。该方法包括提供探测概率模型和初始裂纹尺寸概率密度函数（PDF)。该方法 还包括提供模型参数的概率性识别并且提供模型参数TOF。接着，基于初始裂纹尺寸、模型 参数PDF和材料/负荷因数提供裂纹增长模型。另外，该方法还包括确定不确定性传播并 且基于不确定传播和裂纹增长模型提供疲劳寿命预测。
[0007] 具体地，该方法利用关于探测、尺寸测定、疲劳模型参数和输入的不确定性量化模 型。基于耦合实际缺陷尺寸与无损检查（NDE)报告尺寸的对数线性模型开发探测概率模 型。通过使用概率性建模和贝叶斯定理对于没有缺陷指示的NDE数据和具有缺陷指示的 NDE数据二者推导实际缺陷尺寸的分布。
【附图说明】
[0008] 图1描绘根据本发明的利用无损检查（NDE)检测数据的概率性疲劳寿命预测的方 法。
[0009] 图2A描绘实际缺陷尺寸和超声NDE检测报告尺寸的尺寸测定信息。
[0010] 图2B描绘通过使用阈值0. 5mm、1.0 mm和I. 5mm的尺寸测定信息获得的探测概率 (POD)曲线。
[0011] 图3A描绘嵌入式椭圆形裂纹几何形状的图。
[0012] 图3B描绘嵌入式椭圆形缺陷的椭圆形区域等于报告反射物区域的接受的假设。
[0013] 图4A描绘来自不同温度的铬-钼-钒材料的疲劳测试数据。
[0014] 图4B描绘其中示出均值和95%边界预测的估计的拟合性能。
[0015] 图5A、图5B和图5C分别描绘探测阈值0. 5mm的实际缺陷尺寸分布、疲劳寿命分布 和故障概率（"P〇F"）结果。
[0016] 图6A、图6B和图6C分别描绘探测阈值1.0 mm的实际缺陷尺寸分布、疲劳寿命分布 和PoF结果。
[0017] 图7A、图7B和图7C分别描绘探测阈值I. 5mm的实际缺陷尺寸分布、疲劳寿命分布 和PoF结果。
[0018] 图8描绘一年服务寿命之后执行的NDE数据中发现的缺陷指示。
[0019] 图9A、图9B和图9C分别描绘缺陷尺寸、疲劳寿命预测和PoF估算的概率密度函 数。
[0020] 图10A-10B描绘PoF的中值和95% CI估计，其中图IOA在阈值I. 0的情况下在超 声NDE数据中没有发现指示的情况，并且图IOB描绘具有I. 8mm指示的情况。
[0021] 图11是根据本发明的实施例的用于实现使用超声NDE数据的概率性疲劳寿命预 测的方法的示例性计算机系统的框图。
【具体实施方式】
[0022] 本文描述的本发明的示例性实施例总的来说包括依据无损检查（在下文中 "NDE"）检测和疲劳寿命参数考虑不确定性的概率性寿命预测的系统方法。虽然本发明允 许各种修改和替代形式，但是其特定实施例仅通过附图中的示例示出并且将在本文详细描 述。然而，应该理解，不意图限制本发明于公开的特定形式，而是相反，本发明要覆盖落入本 发明的精神和范围内的所有修改、等效物和替代。此外，美国专利公开No. 2013/0268214、 申请No. 13/855, 130,题目 "PROBABILISTIC FATIGUE LIFE PREDICTION USING ULTRASONIC INSPECTION DATA CONSIDERING EIFS UNCERTAINTY"的公开通过引用的方式被全部并入本 文。
[0023] 1. 0 概括
[0024] 概率性方法提供用于不确定性管理和量化的合理途径。下面的描述被如下组织。 开始，使用经典对数线性尺寸测定模型以耦合超声NDE报告缺陷尺寸和实际缺陷尺寸，来 呈现探测概率（在下文中为"P0D"）建模。接着，开发用于实际缺陷尺寸的概率性模型。以 后，描述概率性疲劳寿命预测的整体过程。呈现具有超声NDE数据的真实世界汽轮机转子 应用，以演示缺陷尺寸、疲劳寿命和故障概率（在下文中为"PoF"）的估算。此外，描述超声 NDE系统的探测阈值和其对评定结果的影响。也提供评定结果的解释和误差分析。
[0025] 2.探测概率建模
[0026] 总的来说两种途径可用于POD建模。一种途径使用仅记录是否探测到缺陷的命 中/未命中数据。这种类型的数据用于诸如渗透测试或者磁颗粒测试之类的一些NDE方 法。在其他NDE检测系统中，附加信息可用在测试数据中。例如，超声NDE信号的信号幅度 和时间索引以及电磁响应的电压幅度和位置信息。在那些情况下，缺陷尺寸或者缺陷严重 性与信号响应紧密相关，由此NDE数据也称为信号响应数据。信号响应数据通常是连续的 并且表示为查询的变量通常表示为a。例如，a可以是缺陷的实际尺寸，并且是基于超 声NDE信号的报告尺寸。本发明考虑信号响应数据。已经在很多研究中公开了;;.和Ina通 常线性地相关。见 Berens, A.P·，"NDE Reliability Data Analysis"，ASM Handbook,卷 17，1989 年，第 689-701 页（在下文中，"1^代118"）和3(3111161(161'，〇，1?11(11;[11，工，"1^￥16界 of Statistical Methods Used in Quantifying NDT Reliability'，, Insight-Non-Destru ctive Testing and Condition Monitoring, 2004 年 2 月 I 日，卷 46，第 2 号，第 77-79 页，二者以引用的方式被全部并入本文。相关性可以表达为
[0028] 其中，ε是具有零均值和标准偏差σ E的正态随机变量。α和β二者是拟合参 数。根据测量设备的测量噪声和物理极限假设预定义阈值&也可以由制造准则和标 准规定。例如，供应商可以考虑指示小于LOOmm是安全的以被忽略。如果i超过^,的阈 值值则缺陷视为被识别出，并且尺寸a的探测概率可以被表达为：
[0030] 其中，Pr (·)表示事件（·）的概率。使用公式（I)，POD函数被改写为
[0032] 其中Φ(·)是标准正态累积分布函数（在下文中，"⑶F"）。如果变量ε遵循与 标准正态分布不同的另一概率分布，则应该使用ε的对应CDF。
[0033] 由于其相对简单的模型结构和缺陷尺寸a被确保是正标量的性质，对数线性模 型是最广泛使用模型之一。诸如线性模型或者其他基于物理的模型之类的其他模型可以 用于耦合报告缺陷尺寸和实际缺陷尺寸。从所有可用模型格式选取特定模型格式依赖于 诸如