[发明专利]一种检测金属材料疲劳状态的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及金属检测技术，更具体地，涉及一种检测金属材料疲劳状态的方法和系统。

背景技术

金属构件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲劳，实际工作中的许多机件均是在变动载荷下工作的。事实上，汽车零部件的破坏多数由疲劳引起的，航空工程有60％-80％的断裂是由结构材料的疲劳破坏引起的。疲劳问题不仅出现在机械、航天、土木建筑等部门，在核工程、水陆运输等几乎所有的工程领域都普遍存在。

目前，声发射技术作为一种新兴的动态无损检测方法已经广泛的应用于航空航天、桥梁、材料、地质等工业中。材料中局部区域应力集中，快速释放能量并产生瞬态弹性波的现象称为声发射。金属材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是零部件失效的重要机制。

采用声发射技术研究金属材料的疲劳问题，常需要各种信号处理方法，基本上可以分为参数分析法和波形分析法。参数分析法主要是对声发射参数进行趋势分析。常用的声发射参数有振幅、持续时间、上升时间、振铃计数、相对能量，其特征含义如图1所示。其中，阈值是由人工设定的，有一定的主观性，主要靠经验来取舍。上升时间指信号首次超过阈值到达最大值时经历的时间，持续时间是指信号首次超过阈值到再次低于阈值所经历的时间。超过阈值的脉冲称为振铃，统计单位时间内的振铃，称为振铃计数。能量包络线区域内的面积称为相对能量。此外，撞击数也是声发射技术的重要参数。信号幅值超过了设定的阈值，此时声发射系统采集信号，设定1024个点作为一个存储单位，叫做一个Hit，因此采集到的数据以一系列的Hit文本文件存储。波形分析法，主要是读取信号频谱图，进行频域分析，多用于参数分析法后的辅助分析。

在申请号为201010119536.7的中国发明专利“金属材料疲劳早期损伤非线性超声在线检测方法”的技术方案中，根据被测试件的厚度确定激励信号，并且产生单一音频信号；根据空载时的噪声信号幅值确定声发射仪的门槛值；对被测试件进行疲劳加载，由声发射传感器连续实时监测声发射信号，方法后输入声发射仪，根据门槛值判断是否存在疲劳裂纹。

其中，在声发射信号采集的过程中，都会受到主观阈值的影响。如果阈值取的较大，虽然信号中混入噪声会很大程度的降低，但振铃的数量就会减少，相对能量的值也会减小。如果阈值取得很小，信号中会混入大量的噪声，会严重的影响材料疲劳特性规律研究的真实性。

另外，在进行疲劳试验时，往往采用带有预制裂纹的标准试样，而不是采用真实的零件。标准试样上的预制裂纹在循环应力加载下，会引导裂纹的生长方向，因此主要裂纹的长度比较容易测量。而实际的零件由于表面或者内部存在着各种缺陷，在循环应力的加载下，微裂纹可能存在内部，也可能存在于表面，扩展方向不确定，难以用现有的设备来测量。

发明内容

为克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出一种检测金属材料疲劳状态的方法和系统。

根据本发明的一个方面，提出了一种检测金属材料疲劳状态的方法，包括：步骤1、采用声发射传感器，获取金属材料疲劳释放的声发射电压信号；步骤2、将采集到的声发射能量信号转换为一定频率范围内的能量累计；步骤3、根据特定频率范围内的能量累计计算其疲劳状态。

根据本发明的另一方面，提出了一种检测金属材料疲劳状态的系统，包括：采集模块、计算模块和显示模块；其中，该采集模块包括声发射传感器，用于获取金属材料疲劳累计所释放的声发射能量的电压信号；计算模块，连接到采集模块，用于将采集到的声发射信号转换为特定频率范围内的能量累计，然后计算其疲劳状态。显示模块，连接到计算模块，用于将真实疲劳信号的能量值显示为金属材料随时间变化的疲劳状态。

本发明可以有效的对零件进行疲劳状态监测和进行疲劳寿命预测，应用本发明的技术方案，机械结构设计中安全系数可以不必选择过高。另外，机械结构达到理论寿命时，本发明可以很好的判定是否仍然可以继续使用，也可以达到节约成本的目的。运行中的设备，采用本申请的技术方案可以实时监测其疲劳状态，极大的保障操作者的人身安全。

附图说明

图1示出现有技术的声发射参数含义图；

图2示出根据本发明的信号采集过程示意图；

图3示出典型疲劳信号的频域图；

图4示出功率谱平均值示意图；

图5示出A组齿轮累积F-energy随负载循环次数变化规律的曲线图；

图6示出根据本发明的机械结构疲劳状态在线监测系统的结构框图。