专利名称：基于功率谱重心的az31镁合金形变损伤状态表征与定量评估系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种形变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镁合金的形变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A13%(wt%)、Zn l%(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。例如在受静拉伸载荷作用时会发生弹性损伤状态转变为屈服损伤状态，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镁合金承力件形变损伤状态的工具。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形变损伤状态的声发射信号处理中，从而得到形变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，并以此判定形变损伤的阶段。
发明内容
为了减少AZ31镁合金构件在使用过程中形变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形变损伤状态信息，并采用功率谱重心方法对其形变损伤状态进行定量评估。应用本发明的监测结果能够对AZ31镁合金结构件形变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镁合金结构件形变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(I)、形变损伤状态矩阵分析单元(2)、形变损伤等级评定单元(3)和预警单元(4)组成；其中，形变损伤状态矩阵分析单元(2)由形变损伤状态幅值分析模块(21)和形变损伤状态功率谱分析模块(22)组成；所述的形变损伤状态功率谱分析模块(22)由形变损伤信号时频转换模块(22A)和形变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(I)对接收的多路传感信息Sn进行模数转换后输出声发射波形信息fQ (T)；形变损伤状态幅值分析模块(21)依据电压幅值关系A = 201ogVmax-40对声发射波形信息fo(T)进行处理，得到形变损伤状态信号幅值A ;形变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f(l(T)进行处理，得到频谱估计的功率谱信息《F);形变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
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值A和形变损伤信号功率谱重心Fps。共同构成了反映AZ31结构件形变损伤状态的形变损伤状态矩阵K= [A，FPS。]，然后将形变损伤状态矩阵K= [A，FpsJ传递给形变损伤等级评定单元(3)；形变损伤等级评定单元(3)对K = [A，FpsJ进行形变损伤状态评定；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。本发明基于功率谱重心分析法对AZ31镁合金形变损伤状态进行评估的系统优点在于(A)本发明使用功率谱重心分析方法，将声发射波形信息定量化，得到了反映AZ31结构件的形变损伤状态的定量参数。(B)本发明结合声发射信号幅值与功率谱重心方法，提出了 AZ31镁合金的形变损伤状态矩阵，形变损伤状态矩阵通过形变损伤声发射信号幅值和形变损伤信号功率谱重心重心两个参量共同对形变损伤状态进行评估，使得评定结果精确可靠，大大减小了错误的概率。(C)对形变损伤下的AZ31镁合金承力件进行了形变损伤等级的划分和鉴定。可以简单易行地对未知形变损伤状态的AZ31镁合金结构件做出形变损伤状态、形变损伤程度的评价。(D)使用本发明可以对工况下的AZ31镁合金结构件的形变损伤进行实时监测，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镁合金形变损伤状态定量评估系统的结构框图。
图2A是本发明形变损伤状态矩阵分析单元结构框图。图3是声发射波形信息示意图。图4是本发明的功率谱图。
权利要求
1.一种基于功率谱重心的AZ31镁合金形变损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于该系统由原始波形信号提取单元(I)、形变损伤状态矩阵分析单元(2)、形变损伤等级评定单元(3)和预警单元(4)组成； 其中，形变损伤状态矩阵分析单元(2)由形变损伤状态幅值分析模块(21)和形变损伤状态功率谱分析模块(22)组成；所述的形变损伤状态功率谱分析模块(22)由形变损伤信号时频转换模块(22A)和形变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(I)对接收的多路传感信息Sn进行模数转换后输出声发射波形/[目息 f。(T)； 形变损伤状态幅值分析模块(21)依据电压幅值关系A = 201ogVmax-40对声发射波形信息fo(T)进行处理，得到形变损伤状态信号幅值A ;形变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f(1(T)进行处理，得到频谱估计的功率谱信息《F);形变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P(W)X/)//,Fpsc=j^rf-进行处理，得到形变损伤信号功率谱重心FPS。；由形变损伤信号幅 \ CO(F)CiF值A和形变损伤信号功率谱重心Fps。共同构成了反映AZ31结构件形变损伤状态的形变损伤状态矩阵K= [A，FPS。]，然后将形变损伤状态矩阵K= [A，FpsJ传递给形变损伤等级评定单元(3)； 形变损伤等级评定单元(3)对K = [A，Fpsc]进行形变损伤状态评定； 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。
2.根据权利要求I所述的基于功率谱重心的AZ31镁合金形变损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于当形变损伤状态矩阵K = [A, Fpse]中A e Ai^Fpsc e Fi，则评定为形变损伤等级C(K) = i ； 其中，C(K)为形变损伤等级信息，i为形变损伤等级，即该形变损伤状态的形变损伤等级为第i级； Ai是第i级形变损伤的特定形变损伤状态信号幅值，即形变损伤等级C(K) = i时，有A e Ai ； Fi是第i级形变损伤的特定形变损伤状态功率谱重心频率，即形变损伤等级C(K) = i时，有 FPSCeFi; 当形变损伤状态矩阵K = [A, Fpsc]不满足等级评定条件A e Ai^Fpsc e Fi时，做为野值加以剔除。
全文摘要
本发明公开了一种基于功率谱重心的AZ31镁合金形变损伤状态表征与定量评估系统，该系统的原始波形信号提取单元(1)对多路传感信息Sn进行模数转换后输出声发射波形信息f0(T)；形变损伤状态矩阵分析单元(2)处理输出形变损伤状态矩阵K＝[A，FPSC]给形变损伤等级评定单元(3)和预警单元(4)进行评定和报警。本发明通过声发射技术对在役AZ31镁合金结构件进行监测，得到声发射信号表示的形变损伤状态信息，并采用功率谱重心法对其形变损伤状态进行定量评估，并评定形变损伤等级。应用本发明能够对AZ31镁合金结构件形变损伤状态进行直观、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G01N29/14GK102890120SQ20121037549
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, 孙传凯, 韩志远, 张峥, 钟群鹏 申请人:北京航空航天大学