专利名称：基于线弹性断裂力学及声发射参数的在役16锰钢承力件疲劳裂纹扩展阶段评估系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对港口大型机械设备中的承力件进行疲劳裂纹扩展阶段的评估， 更特别地说，是指一种采用线弹性断裂力学及声发射参数方法，对在役16锰钢(16Mn钢) 承力件的疲劳裂纹扩展阶段进行评估的系统。
背景技术：
港口大型机械设备中的岸边设备如装船机、卸船机、抓斗机等，常应用16Mn钢作为关键承力件。岸边设备在使用一段时间后，作为主要承力件的16Mn钢的疲劳裂纹扩展阶段对整个岸边设备的使用寿命将造成重要影响。16Mn钢是结合我国资源情况(锰是我国富产元素)发展起来的一种低合金钢，已被广泛使用。16Mn钢承力件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16Mn钢承力件的损伤等级，为其安全运行及寿命预测提供依据。2002年8月25日第32卷第3期《力学进展》中公开了“金属材料疲劳损伤的宏细观理论”。该文献中介绍了工程结构的疲劳损伤发展过程经历了由初始缺陷的形成、裂纹的稳态扩展直到最后失效的不同发展阶段，通常疲劳损伤的演化可以概括为以下几个阶段 (1)亚结构和微观结构的变化引起永久损伤的形成，产生微观裂纹；(2)微观缺陷的长大会合形成主裂纹；(3)主裂纹稳态扩展；(4)结构失稳或完全失效。传统的对疲劳裂纹扩展阶段的评价主要基于线弹性断裂力学。线弹性断裂力学认为疲劳裂纹扩展过程中，在双对数坐标下疲劳裂纹扩展速率da/dN(a表示疲劳裂纹长度， N表示疲劳循环周次，da/dN表示疲劳裂纹长度对疲劳循环周次的微分，即疲劳裂纹扩展速率)对裂纹尖端应力强度因子幅Δ K关系曲线可分为三个区域(如图1所示)。“1区”为疲劳裂纹不扩展阶段，即疲劳裂纹萌生阶段；然后疲劳裂纹扩展速率急剧增长，并进入“2区” 内；“2区”为疲劳裂纹稳定扩展阶段，然后裂纹扩展速率再次加快并最终断裂，进入“3区”，
“3区”为疲劳裂纹失稳扩展阶段。传统疲劳裂纹扩展在“2区”内存在的关系i = ，
dN
C表示Paris系数，m表示Paris指数，均为被测材料的常数。一般承力结构件都在疲劳裂纹进入“3区”之前使用，从而防止疲劳裂纹失稳扩展带来的结构突然失效造成的损失。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，材料在受载荷作用时会发生不同程度的损伤，而不同的损伤会导致声发射波形信号特征发生变化。例如在受疲劳载荷作用时材料的裂纹，或类似于裂纹的缺陷会发生扩展，当裂纹从稳定扩展阶段向失稳扩展阶段的转变时， 将引起声发射波形信号幅度、相位、频率的变化，从而引起声发射参数(如幅值、计数、平均频率)。而其中声发射参数的变化便于记录分析，并且与材料的损伤阶段关系密切，因此可以利用声发射参数信息，并结合传统线弹性断裂力学方法监测并评估16Mn钢承力件的不同疲劳裂纹扩展阶段。随着现代工业日益向大规模、高效率发展，作为港口重要物流装备的大型岸边起重机械，具有以下几个特点1、目前使用中的很多大型起重机是上世纪60年代至70年代我国自行设计制造或从东欧进口，还有少数是从美、日等国进口的二手设备，按设计寿命20 25年考虑，很多设备也已进入服役后期或超期服役阶段；2、由于绝大部分机械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、传统的断裂力学方法虽然能够预测疲劳裂纹扩展阶段，但是在实际应用中受到较多限制。且预测结果不够准确及时，往往较为滞后，不能满足机械安全使用的预警需要。4、目前的损伤检测方法在大型钢结构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起重机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；5、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起重机承力件的疲劳损伤做出准确的预警和安全评估，尤其是我国港口大型机械设备安全事故时有发生，其中，循环载荷引起的疲劳损伤是港口大型岸边起重装备承力件主要的损伤模式之一。因此，为确保大型岸边起重机械安全可靠的运行，须对承力件进行检测、判断疲劳裂纹扩展阶段，从而进行安全评估。
发明内容
为了减少大型岸边起重机械在使用过程中，由于疲劳损伤导致的16Mn钢承力件突然断裂造成的损失，本发明提出一种结合线弹性断裂力学及声发射参数的方法对在役 16Mn钢承力件进行监测，得到声发射参数表示的疲劳裂纹扩展阶段信息，并对其疲劳裂纹扩展阶段进行评估的方法。应用本发明的监测结果能够对16Mn钢承力件疲劳裂纹扩展阶段进行评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。本发明的基于声发射的在役16锰钢承力件疲劳裂纹扩展阶段评估系统，该系统由线弹性断裂力学分析单元(1)、原始波形信号提取单元O)、声发射参数均值分析单元 (3)、疲劳裂纹扩展阶段等级评定单元(4)和预警单元( 组成；其中，声发射参数均值分析单元(3)由声发射参数提取模块(31)、声发射参数均值计算模块(3 组成；所述的声发射参数均值计算模块(3 由声发射幅值均值计算模块(32A)、声发射计数均值计算模块(32B)和声发射平均频率均值计算模块(32C)组成；线弹性断裂力学分析单元(1)首先对由应变测试装置得到的裂纹长度和应力信息进行处理，得到裂纹扩展速率以及应力强度因子，并分析判断裂纹扩展阶段是否处于的线弹性断裂力学裂纹稳定扩展阶段。若判断裂纹扩展阶段是处于线弹性断裂力学裂纹稳定扩展阶段，则进入原始波形信号提取单元O)；若否则进入疲劳裂纹扩展阶段等级评定单元⑷。原始波形信号提取单元( 对接收的多路传感信息&进行模数转换后输出声发射波形信息f。(T)；
声发射参数提取模块(31)采用对声发射波形信息f^ (T)进行处理得到声发射幅值A、计数C、平均频率AF等参数信息，然后传递给声发射参数均值计算模块(3 。在该模块的声发射幅值均值计算模块(32A)、声发射计数均值计算模块(32B)和声发射平均频率均值计算模块(32C)中分别对幅值、计数、能量等参数进行均值化计算处理。最后输出疲劳裂纹扩展阶段矩阵V= [A' ,C'，AF']给疲劳裂纹扩展阶段等级评定单元(4)进行疲劳裂纹扩展阶段以及损伤等级的评定；预警单元( 接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音。本发明基于线弹性断裂力学及声发射参数的在役16锰钢承力件疲劳裂纹扩展阶段评估系统优点在于(A)本发明使用传统线弹性断裂力学方法，并结合声发射参数分析技术，得到了反映16Mn钢承力件疲劳裂纹扩展阶段的表征方法。这种方法所评估的疲劳裂纹阶段，既包含断裂力学的阶段信息又具备声发射信号的阶段变化信息，因此较传统的线弹性断裂力学方法能够更准确及时以及全面的判断疲劳裂纹扩展阶段，便于对16Mn钢的疲劳裂纹扩展阶段做出正确的评估。(B)本发明结合声发射技术提出了声发射参数表征的16Mn钢的疲劳裂纹扩展阶段矩阵，疲劳裂纹扩展阶段矩阵通过对声发射幅值、计数、平均频率等参数进行均值化计算处理对疲劳裂纹扩展阶段进行评估，这些声发射参数便于实时记录和分析，并且能够很好反映疲劳裂纹扩展阶段的变化，因此使得评定结果能够较传统的线弹性断裂力学方法更准确而提前的预测出疲劳裂纹的失稳扩展阶段转变。(C)通过均值化的声发射参数信息判断疲劳裂纹扩展过程中的稳态扩展到失稳扩展阶段转变点，从而对疲劳损伤下的16钢承力件进行了疲劳裂纹扩展阶段等级的划分和鉴定。该疲劳裂纹扩展阶段的等级划分既包含传统断裂力学的疲劳裂纹稳态扩展和失稳扩展阶段，又包含声发射参数判定的疲劳裂纹稳态扩展和失稳扩展阶段。因此可以简单易行地对未知疲劳损伤状态的16Mn钢承力件做出疲劳裂纹扩展阶段、疲劳损伤程度的评价。(D)使用本发明可以对工况下的16Mn钢承力件的疲劳裂纹扩展进行实时监测，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1是传统疲劳裂纹扩展不同阶段划分图。 图2是声发射仪与多个传感器连接的简示图。
图3是声发射仪中存储有16Mn钢疲劳裂纹扩展阶段评估系统的结构框图。 图3A是本发明声发射参数均值分析单元结构框图。 图4是疲劳裂纹扩展阶段等级划分标准示意图。 图中1.线弹性断裂力学分析单元2.原始波形信号提取单元
3.声发射参数均值分析单元31.声发射参数提取模块
32.声发射参数均值计算模块32A.声发射幅值均值计算模块
32B.声发射计数均值计算模块 32C.声发射平均频率均值计算模块
4.疲劳裂纹扩展阶段等级评定单元5.预警单元
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。本发明通过在大型岸边起重机械的16Mn钢承力件上布置IMC公司生产的应力应变测试装置测试裂纹长度a和应力ο。并在承力件上布置多个声发射传感器，并且多个声发射传感器的输出端分别与声发射仪连接。该声发射仪对接收到的多路传感信息应用本发明的16Mn钢疲劳裂纹扩展阶段评估系统进行处理，从而对被测对象(大型岸边起重机械的承力件)的疲劳损伤状态进行定量评估。参见图2所示，一个声发射仪分别与声发射传感
器A、声发射传感器B、声发射传感器C........声发射传感器N连接，通过多个声发射传感
器实现对被测对象的多路声信息的采集。所述的声发射传感器选取PAC公司生产的R15传感器。其共振频率为150kHz。所述的声发射仪选取PAC公司生产的全数字式声发射系统。该声发射系统包括有主机系统和DiSP系统，本发明的16Mn钢疲劳损伤状态定量评估系统存储在主机系统的存储器中。该DiSP系统中的每通道具有高达2MHz的信号采样率。参见图3、图3A所示，为了减少大型岸边起重机械在使用过程中，由于各种疲劳损伤导致的16Mn钢承力件突然断裂造成的损失，本发明采用线弹性断裂力学及声发射方法对在役16Mn钢承力件进行疲劳裂纹扩展阶段进行定量评估。本发明的16Mn钢疲劳裂纹扩展阶段评估系统包括有线弹性断裂力学分析单元1、原始波形信号提取单元2、声发射参数均值分析单元3、疲劳裂纹扩展阶段等级评定单元4和预警单元5。在本发明中，疲劳损疲劳裂纹扩展阶段评估系统采用Matlab语言(版本7. 0)开发，运行在声发射仪的处理器中。本发明采用数字化的技术手段对在役16Mn钢承力件进行疲劳裂纹扩展阶段评估，能够实现对大型岸边起重机械危险情况的提前预警。下面分别对本发明疲劳损伤状态表征与定量评估系统中的各个单元采用的技术手段、实现的功能进行详细说明(一 )线弹性断裂力学分析单元1本发明中，线弹性断裂力学分析单元1接收应力应变测试装置输入的裂纹长度a 以、应力大小σ的信息，并通过传统断裂力学方式进行处理判断da/dN与ΔΚ是否在对数
坐标上呈线性关系，即是否满足；=CAKm ；其中对于16Mn材料，常数C 一般在10_"-10_9，
dN
m 在 2. 5-3. 5 ；
{in(A)如果da/dN与Δ K满足在对数坐标上呈线性关系；=，则说明裂纹处
dN
于传统定义的疲劳裂纹稳定扩展阶段(“2区”)；然后将采集得到的对数坐标上呈线性关
{in
系i = 的参数在声发射原始波形信号提取单元2进行进一步的评定； dN(B)如果da/dN与Δ K不满足在对数坐标上呈线性关=，且
dN
{in
-17； > CAKm，则说明裂纹处于传统定义的疲劳裂纹失稳扩展阶段(“3区”)；然后将采集得 dN
到的对数坐标上呈线性关系=的参数在疲劳裂纹扩展阶段等级评定单元4进行评定；( 二 )原始波形信号提取单元2在本发明中，若线弹性断裂力学分析单元1判断裂纹仍然处于传统定义的疲劳裂纹稳定扩展阶段(“2区”)，则接下来将采用声发射技术对裂纹扩展状态作进一步评定。原始波形信号提取单元2第一方面用于接收多个声发射换能器(也称传感器)分别输出的疲劳裂纹扩展阶段的传感信息&，第二方面对接收到的多路传感信息&进行模数
A + A
转换后，提取出每种裂纹扩展状态下的发射信号幅值(-2 ^，4na3J或者声发射平均频 AF + AF
率(mm 2 max，AFnax )的声发射波形信息& (T)，第三方面将声发射波形信息& (T)输出给声发射参数均值分析单元3。在原始波形信号提取单元1对多路传感信息&进行提取获得每种疲劳裂纹扩展阶段下的声发射波形信息fo(T)所依据的关系为
A _L AAT7 _L AF
A e (腿2 -,AmJUAF G ( ·2 mH)，式中，A表示传感信息&的声发射幅值
参数，Amin表示传感信息&的声发射幅值参数中的最小值，Amax表示传感信息&的声发射幅值参数中的最大值，AF表示传感信息&的声发射能量参数，AFmin表示传感信息&的声发射能量参数中的最小值，AFfflax表示传感信息&的声发射能量参数中的最大值。(三)声发射参数均值分析单元3在本发明中，声发射参数均值分析单元(3)由声发射参数提取模块(31)、声发射参数均值计算模块(3 组成；所述的声发射参数均值计算模块(3 由声发射幅值均值计算模块(32A)、声发射计数均值计算模块(32B)和声发射平均频率均值计算模块(32C)组成；声发射参数提取模块31接收到的声发射波形信息L(T)进行处理得到定量表征的声发射幅值A、计数C、平均频率AF等参数。其中幅值A为声发射电压信号最大值，单位 db;计数C为波形持续时间内声发射电压信号超过门槛的个数，单位个(或无单位)；平均频率AF为声发射电压信号中超过门槛个数与信号持续时间的比值，单位kHz。这些参数将输出到声发射参数均值计算模块32。声发射参数均值计算模块32接收到声发射幅值、计数、平均频率等参数信息并进行均值计算处理。均值计算处理指将某一时间点的声发射参数替换为该时间点之前和之后某一时间段内(这里取之前20s和之后20s时间段)的参数相对于时间的平均值，从而来表征该时间点附近声发射参数的相对概括的特征。具体计算方法为
权利要求
1.一种基于线弹性断裂力学及声发射参数的在役16锰钢承力件疲劳裂纹扩展阶段评估系统，其特征在于该系统由线弹性断裂力学分析单元(1)、原始波形信号提取单元O)、 声发射参数均值分析单元(3)、疲劳裂纹扩展阶段等级评定单元(4)和预警单元( 组成；其中，声发射参数均值分析单元(3)由声发射参数提取模块(31)、声发射参数均值计算模块(3 组成；所述的声发射参数均值计算模块(3 由声发射幅值均值计算模块 (32A)、声发射计数均值计算模块(32B)和声发射平均频率均值计算模块(32C)组成；线弹性断裂力学分析单元(1)首先对由应变测试装置得到的裂纹长度和应力信息进行处理，得到裂纹扩展速率以及应力强度因子，并分析判断裂纹扩展阶段是否处于的线弹性断裂力学裂纹稳定扩展阶段；若判断裂纹扩展阶段是处于线弹性断裂力学裂纹稳定扩展阶段，则进入原始波形信号提取单元(2)；若否则进入疲劳裂纹扩展阶段等级评定单元 ⑷；原始波形信号提取单元( 对接收的多路传感信息&进行模数转换后输出声发射波形信息fQ (T)；声发射参数提取模块(31)采用对声发射波形信息L(T)进行处理得到声发射幅值A、 计数C、平均频率AF等参数信息，然后传递给声发射参数均值计算模块(3 ；在该模块的声发射幅值均值计算模块(32A)、声发射计数均值计算模块(32B)和声发射平均频率均值计算模块(32C)中分别对幅值、计数、能量等参数进行均值化计算处理；最后输出疲劳裂纹扩展阶段矩阵V= [A' ,C'，AF']给疲劳裂纹扩展阶段等级评定单元(4)进行疲劳裂纹扩展阶段以及损伤等级的评定；预警单元( 接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音。
2.根据权利要求1所述的基于线弹性断裂力学及声发射参数的在役16锰钢承力件疲劳裂纹扩展阶段评估系统，其特征在于线弹性断裂力学分析单元(1)接收应力应变测试装置输入的裂纹长度a以、应力大小ο的信息，并通过传统断裂力学方式进行处理判断da/{indN与Δ K是否在对数坐标上呈线性关系"^7 = CMm ；其中对于16Mn材料，常数C 一般在dNKT11-KT9, m 在 2. 5-3. 5 ；{in(A)如果da/dN与ΔΚ满足在对数坐标上呈线性关系"^7= CMm，则说明裂纹处于dN传统定义的疲劳裂纹稳定扩展阶段(“2区”)；然后将采集得到的对数坐标上呈线性关系i = 的参数在声发射原始波形信号提取单元2进行进一步的评定； dN{in{in(B)如果da/dN与ΔK不满足在对数坐标上呈线性关系"^7 = CMm ,^—>CAKm，则dNdN说明裂纹处于传统定义的疲劳裂纹失稳扩展阶段(“3区”)；然后将采集得到的对数坐标{in上呈线性关系i = 的参数在疲劳裂纹扩展阶段等级评定单元4进行评定。 dN
3.根据权利要求1所述的基于线弹性断裂力学及声发射参数的在役16锰钢承力件疲劳裂纹扩展阶段评估系统，其特征在于原始波形信号提取单元(2)第一方面用于接收多个声发射换能器分别输出的疲劳裂纹扩展阶段的传感信息&，第二方面对接收到的多路传感信息&进行模数转换后，提取出每种裂纹扩展状态下的发射信号幅值
4.根据权利要求1所述的基于线弹性断裂力学及声发射参数的在役16锰钢承力件疲劳裂纹扩展阶段评估系统，其特征在于声发射参数均值分析单元(3)由声发射参数提取模块(31)、声发射参数均值计算模块(3 组成；所述的声发射参数均值计算模块(3 由声发射幅值均值计算模块(32A)、声发射计数均值计算模块(32B)和声发射平均频率均值计算模块(32C)组成；声发射参数提取模块(31)接收到的声发射波形信息L(T)进行处理得到定量表征的声发射幅值A、计数C、平均频率AF等参数；其中幅值A为声发射电压信号最大值；计数C为波形持续时间内声发射电压信号超过门槛的个数；平均频率AF为声发射电压信号中超过门槛个数与信号持续时间的比值；这些参数将输出到声发射参数均值计算模块(32)；声发射参数均值计算模块(32)接收到声发射幅值、计数、平均频率等参数信息并进行均值计算处理；均值计算处理指将某一时间点的声发射参数替换为该时间点之前和之后某一时间段内的参数相对于时间的平均值，从而来表征该时间点附近声发射参数的相对概括的特征；具体计算方法为监测过程中某时刻t的幅值均值A'为
5.根据权利要求1所述的基于线弹性断裂力学及声发射参数的在役16锰钢承力件疲劳裂纹扩展阶段评估系统，其特征在于疲劳裂纹扩展阶段等级评定单元(4)根据接收到的疲劳裂纹扩展阶段矩阵V= [A' ,C'，AF']，并对其做出评定根据疲劳损伤状态的危害程度大小不同将疲劳裂纹扩展阶段分为数个等级，当线弹性断裂力学分析单元(1)判断疲劳裂纹扩展已经处于传统失稳扩展阶段时，则直接评估裂纹扩展阶段等级为3级，即疲劳裂纹扩展阶段等级C(V) = 3，说明疲劳裂纹已经非常危险；当线弹性断裂力学分析单元 (1)判断疲劳裂纹扩展处于传统稳定扩展阶段，而疲劳裂纹扩展阶段矩阵V= [A' , C'， AF']中厂=15士5db/s、C' = 10士2/s及AF = 20士5kHz/s时，则此时状态认为是疲劳裂纹扩展阶段由稳态扩展到失稳扩展的声发射转变点；评定该转变点之前的疲劳裂纹扩展阶段等级为 1 级，即 C(V) = 1，此时，V= [A' ,C' ,AF']中厂 < 10db/s,C' < 8/s 及 AF' < 15kHz/s，说明疲劳裂纹既处于传统稳定扩展阶段，也处于声发射参数判断的稳定扩展阶段；而该转变点之后的疲劳裂纹扩展阶段等级为2级，即C(V) =2，此时，V= [A'， C' ,AF']中厂>20db/s、C' >12/s及AF' > 25kHz/s说明疲劳裂纹虽然处于传统稳定扩展阶段，但已经处于了声发射参数判断的失稳阶段。
全文摘要
本发明公开了一种基于线弹性断裂力学及声发射参数的在役16锰钢承力件疲劳裂纹扩展阶段评估系统，该系统由线弹性断裂力学分析单元(1)、原始波形信号提取单元(2)、声发射参数均值分析单元(3)、疲劳裂纹扩展阶段等级评定单元(4)和预警单元(5)组成。这种方法所评估的疲劳裂纹阶段，既包含断裂力学的阶段信息又具备声发射信号的阶段变化信息，因此较传统的线弹性断裂力学方法能够更准确及时以及全面的判断疲劳裂纹扩展阶段，便于对16Mn钢的疲劳裂纹扩展阶段做出正确的评估，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。
文档编号G06F17/50GK102262701SQ20111021967
公开日2011年11月30日 申请日期2011年8月2日 优先权日2011年8月2日
发明者张峥, 曹经纬, 钟群鹏, 韩志远, 骆红云 申请人:北京航空航天大学