[发明专利]基于功率谱重心的AZ31镁合金疲劳损伤状态表征与定量评估系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种疲劳损伤状态的分析方法，更特别地说，是指一种采用声发射技术以及功率谱重心法，对AZ31镁合金的疲劳损伤状态进行表征及定量评估的系统。 

背景技术

近年来，镁合金产品产量在全球的年增长率高达20％，成为备受关注的材料。镁合金在交通工具、电子和通讯产品、航空航天、化工和机械等工业领域显示出了极大的应用前景。AZ31镁合金，是指含Al3%(wt%)、Zn1%(wt%)的镁合金，是目前商业化应用最广泛的变形镁合金。AZ31镁合金可以挤压成棒材、管材、型材，可以轧制成薄板、厚板，也可以加工成锻件，主要应用于汽车、航空航天部件、兵器等方面。 

AZ31镁合金在服役后损伤是造成其失效的主要原因之一，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，材料在受载荷作用时会发生不同程度的损伤，而损伤状态的变化会导致声发射波形信号特征发生一系列变化。例如在疲劳裂纹的扩展模式发生变化时，，这些损伤状态转变都将引起声发射波形信号幅度、相位、频率的变化；因此可以利用声发射技术作为监测AZ31镁合金承力件疲劳损伤状态的工具。 

功率谱重心法是对时域信号利用傅里叶变换的方法对振动的信号进行分解，并按频率顺序展开，使其成为频率的函数，将信号在时间域中的波形转变为频率域的功率谱，进而在频率域中对信号进行研究和处理的一种方法。功率谱重心分析通过功率谱得到信号的特征频率，定量衡量信号的重心频率，从而对不断接收到的信号进行信号频率的监测和估计。以声发射波形信号数据为基础的功率谱重心方法可获得信号的重心频率，因此可以将功率谱重心法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。 

AZ31镁合金具有密排六方的晶体结构，变形的机制有机械孪生和滑移两种机制。变形机制不同，其声发射信号的特征频率不同；变形不同阶段两种机制的作用比例是不断变化的，其复合声发射信号含有两种频率的特征，但可以通过对重心频率的计算来衡量两种机制的对变形的不 同贡献，并以此判定疲劳损伤的阶段。 

发明内容

为了减少AZ31镁合金构件在使用过程中疲劳损伤导致的突然断裂造成的损失，本发明提出一种采用声发射技术对在役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，并采用功率谱重心方法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。 

本发明的基于功率谱重心的在役AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，该系统由原始波形信号提取单元（1）、疲劳损伤状态矩阵分析单元（2）、疲劳损伤等级评定单元（3）和预警单元（4）组成； 

其中，疲劳损伤状态矩阵分析单元（2）由疲劳损伤状态幅值分析模块（21）和疲劳损伤状态功率谱分析模块（22）组成；所述的疲劳损伤状态功率谱分析模块（22）由疲劳损伤信号时频转换模块（22A）和疲劳损伤信号功率谱重心计算模块（22B）组成； 

原始波形信号提取单元（1）对接收的多路传感信息S_n进行模数转换后输出声发射波形信息f₀(T)； 

疲劳损伤状态幅值分析模块（21）依据电压幅值关系A＝20logV_max-40对声发射波形信息f₀(T)进行处理，得到疲劳损伤状态信号幅值A；疲劳损伤信号时频转换模块（22A）采用傅里叶变换对声发射波形信息f₀(T)进行处理，得到频谱估计的功率谱信息ω(F)；疲劳损伤信号功率谱重心计算模块（22B）对接收到的功率谱信息ω(F)依据功率谱重心关系 进行处理，得到疲劳损伤信号功率谱重心F_PSC；由疲劳损伤信号幅值A和疲劳损伤信号功率谱重心F_PSC共同构成了反映AZ31结构件疲劳损伤状态的疲劳损伤状态矩阵K＝[A，F_PSC]，然后将疲劳损伤状态矩阵K＝[A，F_PSC]传递给疲劳损伤等级评定单元（3）； 

疲劳损伤等级评定单元（3）对K＝[A，F_PSC]进行疲劳损伤状态评定； 

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。