专利名称：：基于双谱分析的在役16锰钢承力件疲劳损伤状态表征与定量评估系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种疲劳损伤状态的定量评估，更特别地说，是指一种采用双谱分析法对港口大型机械设备中的在役16锰钢(16Mn钢)承力件进行疲劳损伤状态定量评估的系统。
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钢的疲劳损伤状态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。声发射技术(AcousticEmissionTechnique)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，即裂纹从稳定扩展状态向失稳扩展状态的转变，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；因此有必要利用声发射技术作为监测16Mn钢承力件疲劳损伤状态的工具。双谱分析法是信号处理领域非常有用的重要分析工具。它能有效的分析处理非高斯、非线性、非因果信号和高斯有色噪声及盲信号。它从更高概率结构表征随机信号，可弥补二阶统计量(功率谱)不合相位信息、不能提取更多有用信息的缺陷，具有高分辨率和强抗噪声能力等优点。以声发射波形信号数据为基础的双谱分析方法可获得信号的定量谱特征，因此可以将双谱分析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。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2025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、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；4、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，超载引起的拉伸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、判断疲劳损伤状态，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，本发明提出一种采用声发射技术对在役16Mn钢承力件进行监测，得到声发射波形信号表示的疲劳损伤状态信息，并采用双谱分析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16Mn钢承力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。本发明的一种基于双谱分析的在役16锰钢承力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)由双谱估计模块(21)、双谱对角切片模块(22)和疲劳损伤状态矩阵分析模块(23)组成；所述的疲劳损伤状态矩阵分析模块(23)由疲劳损伤状态特征峰频分析模块(23A)、疲劳损伤状态平均峰频指数计算模块(23B)和疲劳损伤状态最大峰频指数分析模块(23C)组成；原始波形信号提取单元(1)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f。(T);双谱估计模块(21)采用双谱分析法对声发射波形信息f。(T)进行处理得到双谱估计B("""2)，然后双谱对角切片模块(22)对双谱估计B(c^，"2)进行对角切片分析得到双谱对角切片信息o(F)，最后疲劳损伤状态特征峰频分析模块(23A)对角切片信息"(F)进行处理输出疲劳损伤状态矩阵P=[F。，F，Fm]给疲劳损伤等级评定单元(3)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。本发明基于双谱分析法对16Mn钢承力件疲劳损伤状态进行评估的系统优点在于(A)本发明使用双谱分析方法，将声发射波形信息定量化，得到了反映16Mn钢承力件的疲劳损伤状态的定量参数。这种方法较传统的频谱分析方法更为直观准确，并且具有定量化的特点，便于对16Mn钢的疲劳损伤状态做出正确的评估。(B)本发明结合声发射技术与双谱分析方法，提出了16Mn钢的疲劳损伤状态矩阵，疲劳损伤状态矩阵通过疲劳损伤状态特征峰频，疲劳损伤状态平均峰频指数以及疲劳损伤状态最大峰频指数三个参量共同对疲劳损伤状态进行评估，使得评定结果精确可靠，大大减小了错误的概率。(C)对疲劳损伤下的16钢承力件进行了疲劳损伤等级的划分和鉴定。可以简单易行地对未知疲劳损伤状态的16Mn钢承力件做出疲劳损伤状态、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1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16Mn钢疲劳损伤状态定量评估系统的结构框图。图2A是本发明疲劳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是本发明的双谱对角切片图。图中1.原始波形信号提取单元21.双谱估计模块23.疲劳损伤状态矩阵分析模块模块2.疲劳损伤状态矩阵分析单元22.双谱对角切片模块23A.疲劳损伤状态特征峰频分析23B.疲劳损伤状态平均峰频指数计算模块23C.疲劳损伤状态最大峰频指数计算模块3.疲劳损伤等级评定单元4.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钢疲劳损伤状态定量评估系统进行处理，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l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2、图2A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，本发明采用双谱分析法对在役16Mn钢承力件进行疲劳损伤状态进行定量评估。本发明的16Mn钢疲劳损伤状态定量评估系统包括有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以及预警单元4。在本发明中，疲劳损伤状态表征与定量评估系统采用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钢承力件进行疲劳损伤状态评估，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[OO41](—)原始波形信号提取单元1在本发明中，原始波形信号提取单元1第一方面用于接收多个声发射换能器(也称传感器)分别输出的疲劳损伤状态的传感信息Sn，第二方面对接收到的多路传感信息Sn进行模数转换后，提取出每种损伤状态下的发射信号幅值.(^^;4^,4nJ或者声发射平均频率:(mm2max，」Fmax)的声发射波形信息f。(T)，第三方面将声发射波形信息f。(T)输出给疲劳损伤状态矩阵分析单元2。所述的声发射波形信息f。(T)中包含有声发射信号波形中的幅值、频率、相位等诸多信息，声发射波形信息的具体形式如图3所示。图中所示为每0.0000005秒记录一个传感器输出的电压数据点，然后绘成这个波形图。对于多路传感器接到的声音振动转化为电压信号，不能定量的看出不同的振动声源有什么区别，因此本发明采用双谱分析法来对信号源进行量化表征。在原始波形信号提取单元1对多路传感信息Sn进行提取获得每种疲劳损伤状态下的声发射波形信息f。(T)所依据的关系为j￡(AnU#￡('應2應,^^J，式中，A表示传感信息Sn的声发射幅值参数，A^表示传感信息Sn的声发射幅值参数中的最小值，A^表示传感信息Sn的声发射幅值参数中的最大值，AF表示传感信息Sn的声发射能量参数，AF^表示传感信息Sn的声发射能量参数中的最小值，AFMX表示传感信息Sn的声发射能量参数中的最大值。(二)疲劳损伤状态矩阵分析单元2在本发明中，疲劳损伤状态矩阵分析单元2由双谱估计模块21、双谱对角切片模块22和疲劳损伤状态矩阵分析模块23组成；其中，疲劳损伤状态矩阵分析模块23由疲劳损伤状态特征峰频分析模块23A、疲劳损伤状态平均峰频指数计算模块23B和疲劳损伤状态最大峰频指数分析模块23C组成。双谱估计模块21采用双谱分析法对接收到的声发射波形信息f。(T)进行处理得到双谱估计B("p"2);双谱估计B("p"2)是二维函数，具有对称性质，可采用双谱的某种一维分量(双谱切片)来分析信号的某些特性。双谱估计B("p"2)中c^表示双谱切片上X轴上的频率，"2表示双谱切片上Y轴上的频率。双谱对角切片模块22对接收到的双谱估计B("p"2)进行对角切片分析得到双谱对角切片信息"(F);该双谱对角切片信息"(F)采用坐标表示为如图4所示，坐标纵轴是归一化双谱值co，横轴是频率F，单位(kHz)。从图4中可以看出数学化的双谱变换转化为频域，能够定量分析出不同位置传感器采集到的声发射振动源的区别。疲劳损伤状态特征峰频分析模块23A接受到对角切片信息"(F)后，并根据"(F)分析出疲劳损伤状态特征峰频F。，方法如下取co(F)中第一个归一化双谱值=1的峰值频率作为疲劳损伤状态特征峰频F。的取值，单位kHz。疲劳损伤状态平均峰频指数计算模块23B接受到对角切片信息co(F)后，并根据co(F)计算出疲劳损伤状态平均峰频指数F，计算方法如下取所有峰值频率中归一化双谱值最大的前四个峰值频率，分别计为&，F2，F3，F4，则疲劳损伤状态平均峰频指数■14/i」'，无量纲。疲劳损伤状态最大峰频指数分析模块23C接受到对角切片信息co(F)后，并根据"(F)计算出疲劳损伤状态最大峰频指数Fm，方法如下取所有峰值频率中归一化双谱值最大的前四个峰值频率，分别计为巳，F2，F3，F4，则疲劳损伤状态最大峰频指数溯'IOO欣由疲劳损伤状态特征峰频F。、疲劳损伤状态平均峰频指数F和疲劳损伤状态最大峰频指数Fm共同构成了反映16Mn钢承力件疲劳损伤状态的疲劳损伤状态矩阵P=[F。，戸，FJ，然后将疲劳损伤状态矩阵P=[F。，戸，Fm]传递给疲劳损伤等级评定单元3。(三)疲劳损伤等级评定单元3在本发明中，疲劳损伤等级评定单元3根据接收到的疲劳损伤状态矩阵P=[F。，戸，Fm]，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损伤状态分为数个等级，当疲劳损伤状态矩阵P=[F。，戸，FJ中F。=FpF=&和Fm=Fmi时，则评定为疲劳损伤等级C(P)=i。其中，C(P)为疲劳损伤等级信息，i为疲劳损伤等级，即该疲劳损伤状态的疲劳损伤等级为第i级是第i级疲劳损伤的特定疲劳损伤状态特征峰频，即疲劳损伤等级C(P)=i时，有F。二FiA是第i级疲劳损伤的特定疲劳损伤状态平均峰频指数，即疲劳损伤等级C(P)=i时，有F=&;Fmi是第i级疲劳损伤的特定疲劳损伤状态最大峰频指数，即疲劳损伤等级C(P)=i时，有Fm=Fmi。当疲劳损伤状态矩阵P=[F。，戸，Fm]无法满足上述等级评定条件时，做为野值剔除。该疲劳损伤等级信息C(P)作为预警信息来启动预警单元4进行预警。16Mn钢承力件不同疲劳损伤状态的疲劳损伤等级划分标准示例可参见表1所示，该表1中的所有信息存储在声发射仪的处理器中。表1疲劳损伤等级划分标准示例第/级疲劳损伤状态特征峰频^180±10120±15120±15第/级疲劳损伤状态平均峰频指数^1.8~2,22.3~2.71.42.0野值剔除第/级疲劳损伤状态最大峰频指数/^2.1~2.63.2~4.02.6~3.0疲劳损伤状态噪音疲劳裂纹稳定扩展疲劳裂纹失稳扩展疲劳损伤等级z'123(四)预警单元4该预警单元4采用如喇叭、扩音器等形式的提示音报警输出,在本发明中，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。该提示音可以是如喇叭、扩音器等发出的如音乐声等。实施例1:对40吨轨道式起重机的承力件进行疲劳加载的声发射检测。承力件悬臂有效伸度5000mm，检测长度3000mm。承力件所用的16Mn钢成分为表216Mn钢成分含量成分cMnSiPS质量百分比含量(％)0.161.420.310.0220.0330.10检测用设备有(A)6个R15型声发射传感器，响应频率100400kHz，中心频率150kHz。(B)声发射仪为美国PAC公司全数字式16通道DiSP声发射系统。声发射仪检测时的门槛值30dB，声发射峰值定义时间PDT为300iis，声发射撞击限定时间HDT为600ys，声发射撞击闭锁时间HLT为1000iis。在16Mn钢承力件的承受疲劳载荷过程中，首先对声发射波形信息进行收集，并通过本发明对疲劳损伤状态作出评价。随机抽取的部分16Mn钢承力件疲劳损伤状态定量评估结果见表3。表3部分16Mn钢承力件疲劳损伤状态定量评估结果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>从表3中的评估结果可以看出所选声发射波形信息的疲劳损伤状态矩阵中，疲劳损伤状态特征峰频为120kHz左右，疲劳损伤状态平均峰频指数在2.32.6之间，并且疲劳损伤状态最大峰频指数在3.24.0之间，因此均属于疲劳裂纹稳定扩展损伤状态，疲劳损伤等级为2。说明40吨轨道式起重机的承力件存在疲劳裂纹，虽然疲劳损伤程度还较小，但仍需要起重机的操作者重视和进行不定期的检查。本发明建立了基于双谱分析对16Mn钢承力件进行疲劳损伤状态定量评估的系统，通过声发射技术对在役16Mn钢承力件进行监测，得到声发射信号表示的疲劳损伤状态信息，并采用双谱分析方法对其疲劳损伤状态进行定量评估，并评定疲劳损伤等级。应用本发明能够对16Mn钢承力件疲劳损伤状态进行直观、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。权利要求一种基于双谱分析的在役16锰钢承力件疲劳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(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)由双谱估计模块(21)、双谱对角切片模块(22)和疲劳损伤状态矩阵分析模块(23)组成；所述的疲劳损伤状态矩阵分析模块(23)由疲劳损伤状态特征峰频分析模块(23A)、疲劳损伤状态平均峰频指数计算模块(23B)和疲劳损伤状态最大峰频指数分析模块(23C)组成；原始波形信号提取单元(1)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f0(T)；双谱估计模块(21)采用双谱分析法对声发射波形信息f0(T)进行处理得到双谱估计B(ω1，ω2)，然后双谱对角切片模块(22)对双谱估计B(ω1，ω2)进行对角切片分析得到双谱对角切片信息ω(F)，最后疲劳损伤状态特征峰频分析模块(23A)对角切片信息ω(F)进行处理输出疲劳损伤状态矩阵P＝[F0，F，Fm]给疲劳损伤等级评定单元(3)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。2.根据权利要求1所述的基于双谱分析的在役16锰钢承力件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于原始波形信号提取单元(1)第一方面用于接收多个声发射换能器输出的传感信息Sn，第二方面对接收到的多路传感信息Sn进行模数转换后，提取出每种损伤状态下的发射信号幅值(^1^，A^)或者声发射平均频率(《;《ax，^i^M)的声发射波形信息f。(T)，第三方面将声发射波形信息f。(T)输出给疲劳损伤状态矩阵分析单元(2)。3.根据权利要求1所述的基于双谱分析的在役16锰钢承力件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于双谱估计模块(21)采用双谱分析法对接收到的声发射波形信息f。(T)进行处理得到双谱估计B(c^，"2);双谱对角切片模块(22)对接收到的双谱估计B("p"2)进行对角切片分析得到双谱对角切片信息"(F);疲劳损伤状态特征峰频分析模块(23A)接受到对角切片信息"(F)后，并根据"(F)分析出疲劳损伤状态特征峰频F。，方法如下取co(F)中第一个归一化双谱值=1的峰值频率作为疲劳损伤状态特征峰频F。的取值，单位kHz;疲劳损伤状态平均峰频指数计算模块(23B)接受到对角切片信息"(F)后，并根据co(F)计算出疲劳损伤状态平均峰频指数戸，计算方法如下取所有峰值频率中归一化双谱值最大的前四个峰值频率，分别计为巳，F2，F3，F4，则疲劳损伤状态平均峰频指数<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>，无量纲；疲劳损伤状态最大峰频指数分析模块(23C)接受到对角切片信息"(F)后，并根据co(F)计算出疲劳损伤状态最大峰频指数Fm，方法如下取所有峰值频率中归一化双谱值最大的前四个峰值频率，分别计为巳，F2，F3，F4，则疲劳损伤状态最大峰频指数<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>由疲劳损伤状态特征峰频F。、疲劳损伤状态平均峰频指数F和疲劳损伤状态最大峰频指数Fm共同构成了反映16Mn钢承力件疲劳损伤状态的疲劳损伤状态矩阵P=[F。，F，Fm]，然后将疲劳损伤状态矩阵P=[F。，戸，FJ传递给疲劳损伤等级评定单元(3)。4.根据权利要求1所述的基于双谱分析的在役16锰钢承力件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于疲劳损伤等级评定单元(3)根据接收到的疲劳损伤状态矩阵P=[F。，F，Fm]，应用疲劳损伤等级C(P)=i和等级评定条件F。=Fi、F=Fi和Fm=Fmi进行评定在役16锰钢承力件的疲劳损伤状态的危害程度大小；其中，C(P)为疲劳损伤等级信息，i为疲劳损伤等级，即该疲劳损伤状态的疲劳损伤等级为第i级；&是第i级疲劳损伤的特定疲劳损伤状态特征峰频，即疲劳损伤等级C(P)=i时，有F0=&;&是第i级疲劳损伤的特定疲劳损伤状态平均峰频指数，即疲劳损伤等级C(P)=i时，有戸=&;Fmi是第i级疲劳损伤的特定疲劳损伤状态最大峰频指数，即疲劳损伤等级C(P)=i时，有Fm二Fmi;___当疲劳损伤状态矩阵P=[F。，F，Fm]不满足所述等级评定条件F。=Fi、F=&和Fm=Fmi时，做为野值剔除；该疲劳损伤等级信息C(P)作为预警信息来启动预警单元(4)进行预警。5.根据权利要求2所述的基于双谱分析的在役16锰钢承力件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于所述的声发射波形信息f。(T)中包含有声发射信号波形中的幅值、频率、相位等诸多信息。6.根据权利要求2所述的基于双谱分析的在役16锰钢承力件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于在原始波形信号提取单元(1)对多路传感信息Sn进行提取获得每种疲劳损伤状态下的声发射波形信息f。(T)所依据的关系为^e(4nm:4n狀，4狀)UjFe,min;《，D，式中，A表示传感信息&的声发射幅值参数，A^表示传感信息Sn的声发射幅值参数中的最小值，A^表示传感信息Sn的声发射幅值参数中的最大值，AF表示传感信息Sn的声发射能量参数，AF^表示传感信息Sn的声发射能量参数中的最小值，AFMX表示传感信息Sn的声发射能量参数中的最大值。7.根据权利要求3所述的基于双谱分析的在役16锰钢承力件疲劳损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于双谱估计B("p"2)是二维函数，具有对称性质，可采用双谱的双谱切片来分析信号的某些特性；双谱估计B(c^，"2)中c^表示双谱切片上X轴上的频率，"2表示双谱切片上Y轴上的频率。全文摘要本发明公开了一种基于双谱分析的在役16锰钢承力件疲劳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)；双谱估计模块(21)采用双谱分析法对声发射波形信息f0(T)进行处理得到双谱估计B(ω1，ω2)，然后双谱对角切片模块(22)对双谱估计B(ω1，ω2)进行对角切片分析得到双谱对角切片信息ω(F)，最后疲劳损伤状态特征峰频分析模块(23A)对角切片信息ω(F)进行处理输出疲劳损伤状态矩阵P＝[F0，F，Fm]给疲劳损伤等级评定单元(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16Mn钢承力件进行监测，得到声发射信号表示的疲劳损伤状态信息，并采用双谱分析方法对其疲劳损伤状态进行定量评估，并评定疲劳损伤等级。应用本发明能够对16Mn钢承力件疲劳损伤状态进行直观、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G01N29/14GK101776644SQ200910243168公开日2010年7月14日申请日期2009年12月31日优先权日2009年12月31日发明者王宏伟,钟群鹏,韩志远,骆红云申请人:北京航空航天大学