一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法，包括：通过疲劳微裂纹初步定位得到微裂纹中心；选择水平正方向，定义取向角；在金属板材表面绘制一个正圆周，选择固定间隔角度；在绘制的正圆周上，依据取向角放置激发传感器与接收传感器；超声测试每组超声传感路径，并记录每组超声传感路径形成的时域波形信号；将每组时域波形信号转换为相应的频域图形，提取超声波基波信号幅值与二次谐波波形幅值，计算相对非线性系数；绘制取向角‑相对非线性系数极坐标图，确定微裂纹偏移角度。该方法是对现有微裂纹定位技术的补充，为测量疲劳微裂纹偏移角度提供了可行性，对工程结构损伤的无损检测具有重要的应用价值和推动作用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法
本专利技术涉及一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法，属于超声波无损检测

技术介绍
金属材料以其良好的理化性质、力学性能以及成型工艺特性，在工程应用中成为应用范围最广、涵盖领域最全的一种工程材料。金属材料加工而成的构件长期服役于高温高压、碰撞冲击、化学腐蚀等极端恶劣而又条件多变的环境中，同时由于服役期间交变载荷作用、失当的生产工艺、组织结构退化等因素的综合影响，金属材料内部逐渐形成微损伤。长期以往，微损伤积累进一步演化为微裂纹，使得材料力学性能大幅退化，当微裂纹最终演化为宏观裂纹时，就会发生断裂失效，构件断裂失效对工业装备的安稳运行具有重大威胁。因此，对金属材料的早期结构损伤进行准确的监测，实现对金属构件疲劳损伤程度的快速检测与评价，可以有效避免金属构件突然失效对工业设备的安稳服役构成潜在的威胁。传统的线性超声检测技术基于声弹性原理，当声波传播至被测材料时，会与内部损伤发生相互作用，产生如声速、波形振幅和时延等参数的变化，通过对超声时域信号的分析从而对材料性能做出检测评价。但由于线性超声对于操作与环境的变化异常敏感，甚至材料几何形状和边界的不同也会引起信号的变化。除此之外，对于材料早期的微裂纹损伤，线性超声检测技术显得并不那么敏感，测量参数的响应值一般都十分微小，难以有效表征材料力学性能演化。非线性超声技术能弥补线性超声检测技术的缺点，对材料早期微观损伤进行有效表征。非线性超声技术的基本原理是检测信号在固体中传播时，材料固有非线性及因损伤缺陷产生的非线性相互作用，检测信号发生畸变，产生二阶及更高阶次的谐波频率成分。利用该特性，将被测材料超声时域信息转化为频域信息，从中提取高次谐波信号，从而获取被测材料的损伤信息。基于非线性超声的疲劳微裂纹损伤定位和角度测量预测，对于工程结构损伤的无损检测具有重要的应用价值和推动作用。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的：现有技术仅对疲劳微裂纹进行定位，但未进行角度测量，对疲劳微裂纹进行角度测量可有效表征材料损伤，预防材料因疲劳裂纹发生失效。本专利技术的专利技术目的在于对现有微裂纹定位技术进行补充，提出一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法。该方法能方便快捷、高精度、直观、低成本地测量疲劳微裂纹偏移角度。本专利技术实现其专利技术目的所采取的技术方案：一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法，所述方法包括步骤如下：S1、对含微裂纹缺陷的金属板材进行疲劳微裂纹初步定位，得到微裂纹中心O；对步骤S1补充说明：疲劳微裂纹初步定位的方法较多，举例：在金属板材表面，选择合适的矩形检测区域，分别沿矩形两相交边确定多个间隔一定距离的水平方向、垂直方向的激发换能器测量位置，接收换能器放置于矩形对边，且与激发换能器关于矩形中心线垂直对称位置，测量相对非线性系数，每次测量后将激发换能器向适当的水平或垂直方向移动，并相应改变接收换能器位置，对比每组相对非线性系数，相对非线性系数最大处即为微裂纹中心处。(可参考文献：王会芳.基于非线性超声的金属疲劳损伤检测及定位研究[D].天津大学，2017.)S2、在金属板材表面以微裂纹中心O为原点，选择一个方向作为水平正方向，取水平正方向逆时针夹角为取向角αx；S3、在金属板材表面以微裂纹中心O为圆心，r为半径绘制一个正圆周，选择合适的固定间隔角度Δα，取向角αx满足αx＝x·Δα，且0°≤αx＜360°；其中，x为取向角αx的变化次数，x＝0，1，2，…，n；n为取向角αx的变化次数x的取值限度，(即取向角αx的取值满足αx＝0°，Δα，2Δα，…，nΔα)S4、在步骤S3绘制的正圆周上，依据取向角αx放置激发传感器与接收传感器，在取向角αx处放置激发传感器，在与取向角αx关于微裂纹中心O对称处放置接收传感器，对应的激发传感器与接收传感器之间构成一组超声传感路径；依次增大取向角ax的变化次数x，改变激发传感器与接收传感器的位置，可得到n+1组超声传感路径；超声测试每组超声传感路径，并记录每组超声传感路径形成的时域波形信号；S5、将每组时域波形信号转换为相应的频域图形，并分别提取出每组频域图形数据中的超声波基波信号幅值A1x与二次谐波波形幅值A2x，计算得出每组相对非线性系数β′x；所述相对非线性系数S6、绘制取向角αx-相对非线性系数β′x极坐标图，所绘制的极坐标图为一近似对称“叶片”图形，所述近似对称“叶片”图形的长轴垂直方向与水平正方向的夹角为微裂纹偏移角度，所述微裂纹偏移角度的范围为[0°，180°)；(即：在所绘制的取向角αx-相对非线性系数β′x极坐标图中，当近似对称“叶片”图形的长轴垂直方向所在直线过极点时，以该直线与极轴方向逆时针夹角在[0°，180°)内的角度作为微裂纹偏移角度。)所述取向角αx-相对非线性系数β′x极坐标图是以αx为极角(即：规定极轴为步骤S2中的水平正方向，极点为微裂纹中心O)，以相对非线性系数β′x为极径。进一步地，所述步骤S4具体包括：S41、在金属板材表面以微裂纹中心O为极点、水平正方向为极轴，建立极坐标系；取向角αx＝x·Δα，且0°≤αx＜360°，取向角αx的变化次数x＝0，1，2，…，n；S42、当取向角αx满足0°≤αx≤180°时，在极坐标(r，αx)处放置一个激发传感器，在极坐标(r，αx+180°)处放置一个接收传感器；当取向角αx满足180°＜αx＜360°时，在极坐标(r，αx)处放置一个激发传感器，在极坐标(r，αx-180°)处放置一个接收传感器；对应的激发传感器与接收传感器之间构成第x组超声传感路径；其中，r为步骤S3绘制的正圆周的半径；S43、超声测试第x组超声传感路径，超声由激发传感器处激发，接收传感器处采集，得到第x组超声传感路径的时域波形信号，利用示波器记录第x组超声传感路径形成的时域波形信号；S44、按照取向角αx变化次数x从0至n依次增大的顺序，重复步骤S42和步骤S43，共得到n+1组超声传感路径，共记录n+1组对应的时域波形信号。进一步地，所述步骤S5具体包括：S51、对第x组时域波形信号进行分析，并转换为相应的频域图形，其中x为取向角αx的变化次数，x＝0，1，2，…，n；S52、在第x组频域图形数据中提取出超声波基波信号幅值A1x与二次谐波波形幅值A2x，且基波信号频率与激发传感器中心频率相近，二次谐波频率为基波频率的2倍；S53、利用计算得出第x组相对非线性系数β′x；S54、重复步骤S51至步骤S53，共计算得到n+1组相对非线性系数。进一步地，所述固定间隔角度Δα满足0°＜Δα≤60°。进一步地，所述取向角αx的变化次数x的取值限度n不小于5。取向角αx的变化次数x的取值限度n不小于5，以保证微裂纹角度测试精度。进一步地，所述接收传感器的中心频率是所述激发传感器的中心频率的2倍。进一步地，将时域波形信号转换为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法，其特征在于，所述方法包括步骤如下：/nS1、对含微裂纹缺陷的金属板材进行疲劳微裂纹初步定位，得到微裂纹中心O；/nS2、在金属板材表面以微裂纹中心O为原点，选择一个方向作为水平正方向，取水平正方向逆时针夹角为取向角α

【技术特征摘要】
1.一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法，其特征在于，所述方法包括步骤如下：
S1、对含微裂纹缺陷的金属板材进行疲劳微裂纹初步定位，得到微裂纹中心O；
S2、在金属板材表面以微裂纹中心O为原点，选择一个方向作为水平正方向，取水平正方向逆时针夹角为取向角αx；
S3、在金属板材表面以微裂纹中心O为圆心，r为半径绘制一个正圆周，选择合适的固定间隔角度Δα，取向角αx满足αx＝x·Δα，且0°≤αx＜360°；其中，x为取向角αx的变化次数，x＝0，1，2，…，n；n为取向角αx的变化次数x的，
S4、在步骤S3绘制的正圆周上，依据取向角αx放置激发传感器与接收传感器，在取向角αx处放置激发传感器，在与取向角αx关于微裂纹中心O对称处放置接收传感器，对应的激发传感器与接收传感器之间构成一组超声传感路径；依次增大取向角αx的变化次数x，改变激发传感器与接收传感器的位置，可得到n+1组超声传感路径；超声测试每组超声传感传感路径，并记录每组超声传感路径形成的时域波形信号；
S5、将每组时域波形信号转换为相应的频域图形，并分别提取出每组频域图形数据中的超声波基波信号幅值A1x与二次谐波波形幅值A2x，计算得出每组相对非线性系数β′x；所述相对非线性系数
S6、绘制取向角αx-相对非线性系数β′x极坐标图，所绘制的极坐标图为一近似对称“叶片”图形，所述近似对称“叶片”图形的长轴垂直方向与水平正方向的夹角为微裂纹偏移角度，所述微裂纹偏移角度的范围为[0°，180°)；
所述取向角αx-相对非线性系数β′x极坐标图是以αx为极角，以相对非线性系数β′x为极径。


2.根据权利要求1所述的一种基于非线性超声测量疲劳微裂纹偏移角度的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
S41、在金属板材表面以微裂纹中心O为极点、水平正方向为极轴，建立极坐标系；取向角αx＝x·Δα，且0°≤αx＜360°，取向角αx的变化次数x＝0，1，2，…，n；
S42、当取向角αx满足0°≤αx≤180°时，在极坐标(r，αx)处放置一个激发传感器，在极坐标(r，αx+180°)处放置一个接收传感器；当取向角αx满足180°＜αx＜360°时，在极坐标(r，αx)处放置一个激发传感器，在极坐标(r，αx-180°)处放置一个接收传感器；对应的激发传感器与接收传...

【专利技术属性】
技术研发人员：苟国庆，邱菲菲，陈兵，胡彧孜，朱忠尹，靳军军，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51