1.一种适用于检测材料早期疲劳损伤的新成像检测方法,其特征在于,其步骤如下:
步骤一:设置两组检测模型,其中一组检测模型不含有早期疲劳损伤,另一组检测模型含有早期疲劳损伤,两组检测模型的其他材料参数和几何尺寸完全相同;定义检测材料的材料参数和几何参数,并在检测材料的待检测部位的周围设置一系列的传感器并组成传感器阵列,其中,待检测部位分为无早期疲劳损伤检测部位和有早期疲劳损伤检测部位,传感器阵列包括m个传感器;
步骤二:根据检测材料的几何参数,选择用于精准激励非线性谐波的主模态导波类型和用于检测疲劳损伤的非线性谐波类型,根据材料参数绘制在检测材料中主模态导波的相速度频散曲线和非线性谐波的相速度频散曲线,并依据主模态导波的相速度频散曲线和非线性谐波的相速度频散曲线之间的相位匹配和非零能流耦合条件,在主模态导波的相速度频散曲线中筛选出非线性谐波的精准激励点,再从筛选的精准激励点中选择一个激励点作为目标激励点,将目标激励点的导波模态和频率分别作为激励模态和激励频率;
步骤三:定义包含l个循环的输入信号,将输入信号依次输入无早期疲劳损伤检测部位对应的传感器阵列,得到m0组振动位移信号并发送至上位机,其中,传感器阵列中一个传感器作为激励信号传感器并做到信号的自发自收,传感器阵列中其余m-1个传感器作为接收信号传感器,振动位移信号为面内振动位移信号,包括x方向振动位移信号和y方向振动位移信号,每个方向上的振动位移信号均包含m×m个数据文件,m0=m;
步骤四:将主模态导波信号分别输入两组检测模型的传感器阵列中,传感器阵列中每个传感器均得到m1组振动位移信号并发送至上位机,m1=m;
步骤五:利用三角函数对m0组的x方向振动位移信号和y方向振动位移信号进行融合计算,得到m0组融合后的振动位移信号,利用三角函数对m1组的x方向振动位移信号和y方向振动位移信号进行融合计算,得到m1组融合后的振动位移信号;
步骤六:对于m0组和m1组融合后的振动位移信号,分别计算每对激励信号传感器和接收信号传感器之间的振动位移信号包络,采集y>0的正方向最大包络,并选取最大包络的谱峰,截取m0组和m1组时域时间区间;
步骤七:对于m0组和m1组融合后的振动位移信号,分别对每对激励信号传感器和接收信号传感器之间的振动位移信号进行快速傅里叶变换,得到m0组和m1组频域波形,分别截取经带通滤波后的m0组和m1组频域波形的非线性谐波,得到m0组和m1组频率区间;
步骤八:对于m0组和m1组融合后的振动位移信号,分别对每对激励信号传感器和接收信号传感器之间的振动位移信号进行短时傅里叶变换,得到m0组和m1组时频域矩阵,并根据m0组时域时间区间和频率区间在m0组时频域矩阵中截取矩阵并积分,得到无早期疲劳损伤检测部位对应的每对激励信号传感器和接收信号传感器之间的矩阵积分;根据m1组时域时间区间和频率区间在m1组时频域矩阵中截取矩阵并积分,得到有早期疲劳损伤检测部位对应的每对激励信号传感器和接收信号传感器之间的矩阵积分;
步骤九:根据无早期疲劳损伤检测部位的矩阵积分和有早期疲劳损伤检测部位的矩阵积分,计算每对激励信号传感器和接收信号传感器之间的信号差系数;
步骤十:采用椭圆算法将每对激励信号传感器和接收信号传感器分别放在椭圆的两个顶点上,根据有早期疲劳损伤检测部位到激励信号传感器和接收信号传感器的距离之和,对检测部位的每个点进行信号差系数递减分配,递减分配共分n级,对每对激励信号传感器和接收信号传感器的椭圆算法结果进行叠加成像,共叠加m×m次,获得有早期疲劳损伤检测部位的概率分布图。
2.根据权利要求1所述的适用于检测材料早期疲劳损伤的新成像检测方法,其特征在于,所述检测材料为各向同性材料,材料参数包括密度ρ、杨氏模量e、泊松比υ、拉梅常数λ和μ;几何参数是指检测材料的形状;传感器阵列为圆形阵列,相邻两个传感器的间距近似于主模态导波波长的一半:
其中,d为相邻两个传感器的间距,r为传感器阵列的半径,sn为传感器数量,λf为主模态导波的波长。
3.根据权利要求2所述的适用于检测材料早期疲劳损伤的新成像检测方法,其特征在于,相速度频散曲线对应的频散方程的获得方法为:
根据波动力学的本构关系获得检测材料的应力和应变:
σ,x=ρu,tt
σ=eε
ε=u,x
其中,σ为检测材料的应力,ε为检测材料的应变,u为检测材料的位移,,
将以上本构关系结合起来,可得到以位移场为变量的纳维尔波动方程:
u,tt=cl2u,xx
纳维尔波动方程的简谐波通解为:
u=alsin(kx-ωt)+blcos(kx-ωt)
其中,cl2=e/ρ是纵波速度的平方,ω=ck是角频率,k是波数,a1和b1表示不同的系数;
根据拉梅常数λ和μ,计算检测材料的纵波波速cl和横波波速ct:
对于不同几何参数的检测材料,所采用的超声导波类型不同;立方体主要采用兰姆波和水平剪切波进行检测,不同类型的超声导波在检测材料的上下表面具有不同的自由边界条件;
对于绘制在检测材料中兰姆波的相速度频散曲线,引入检测材料上表面和下表面的自由边界条件σ31=σ33=0,推导兰姆波的相速度原始频散方程:
其中,
由兰姆波的原始频散方程得到兰姆波的对称模式的频散方程:
由兰姆波的对称模式的频散方程得到兰姆波的反对称模式的频散方程:
对于绘制在检测材料中水平剪切波的相速度频散曲线,引入检测材料上下表面的自由边界条件σ22=0,推导水平剪切波的相速度的对称模式频散方程:
sin(qh)=0;
推导水平剪切波的相速度的反对称模式频散方程:
cos(qh)=0;
通过求解兰姆波的相速度的对称模式频散方程和反对称模式频散方程,绘制兰姆波的相速度频散曲线;通过求解水平剪切波的相速度的对称模式频散方程和反对称模式频散方程,绘制水平剪切波的相速度频散曲线。
4.根据权利要求3所述的适用于检测材料早期疲劳损伤的新成像检测方法,其特征在于,非线性谐波的相速度与主模态导波的相速度产生的相位匹配点包括兰姆波的对称模式与反对称模式的交点、cp=cl、cp=ct、
从主模导波到非线性谐波具有非零能流耦合条件是指从主模态场到谐波场的声波能量具有累积效应。
5.根据权利要求1所述的适用于检测材料早期疲劳损伤的新成像检测方法,其特征在于,融合后的位移信号为:
当激励信号传感器i和接收信号传感器j的延长线与x轴交点在x轴正方向时,融合方法为:
其中,data为x与y方向融合后的位移信号,data1为传感器采集的x方向位移信号,data2传感器采集的y方向位移信号,传感器数量m=sn;
当激励信号传感器i和接收信号传感器j的延长线与x轴交点在x轴负方向时,融合方法为:
当激励信号传感器i和接收信号传感器j的延长线与x轴平行时,融合方法为:
当激励信号传感器i和接收信号传感器j的延长线与x轴垂直时,融合方法为:
6.根据权利要求1所述的适用于检测材料早期疲劳损伤的新成像检测方法,其特征在于,对融合后的位移信号进行短时傅里叶变换的方法为:
其中,f(ω,t)为融合后的位移信号经短时傅里叶变换后的输出数据,f(τ)为时域下的输入信号,g(τ-t)为窗函数,τ表示时域下的时间,g(τ-t)为窗函数。
7.根据权利要求1所述的适用于检测材料早期疲劳损伤的新成像检测方法,其特征在于,所述信号差系数为:
其中,ratio为信号差系数,int0为无早期损伤的检测部位的矩阵积分,int1为有早期损伤的检测部位的矩阵积分。