一种基于光纤环声发射的扭力轴健康度评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光纤环声发射的扭力轴健康度评估方法，包括利用声发射传感器采集扭力轴在疲劳破坏过程中声发射信号的能量数据，通过基于奇异谱分析实现对扭力轴的性能退化分析，在性能退化分析的基础上，基于距离的健康度函数，实现对扭力轴全生命周期健康程度的判定。本发明专利技术利用光纤环声发射传感器对扭力轴进行声发射信号的测量，并通过数据与知识相结合的方法提取出故障因子；根据故障因子定义健康度函数，得出扭力轴的实时健康度，实现对扭力轴全生命周期的健康度监测，从而保证在故障发生前给出预警，避免不必要的损失。避免不必要的损失。避免不必要的损失。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤环声发射的扭力轴健康度评估方法


[0001]本专利技术涉及声发射无损检测
，尤其涉及一种基于光纤环声发射的扭力轴健康度评估方法。

技术介绍

[0002]针对扭力轴健康度评定的问题，现有技术一般通过超声检测的方法进行扭力轴残余应力的检测，再根据被检信号在扭力轴断裂期间的波形变化粗略判断扭力轴的健康状况。但大多只是对波形变化加以描述，缺少对故障因子的定量分析，也不能对扭力轴的健康度给出判断。
[0003]因此，如何提供一种基于光纤环声发射的扭力轴健康度评估方法成为了本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于上述
技术介绍
，本专利技术提供了一种基于光纤环声发射的扭力轴健康度评估方法；针对扭力轴的实时健康状况监测问题，制定了扭力轴的扭转疲劳实验方法，利用光纤环声发射传感器采集扭力轴表面及内部裂纹扩展产生的声发射波信号。采用奇异谱分解对声发射信号进行成分分解，根据不同成分的特征注入故障因子。并在故障因子的基础上，设计了扭力轴健康度函数，精确地描述出扭力轴的损伤程度变化情况。
[0005]本专利技术解决技术问题采用如下技术方案：
[0006]一种基于光纤环声发射的扭力轴健康度评估方法，包括利用声发射传感器采集扭力轴在疲劳破坏过程中声发射信号的能量数据，通过基于奇异谱分析实现对扭力轴的性能退化分析，在性能退化分析的基础上，基于距离的健康度函数，实现对扭力轴全生命周期健康程度的判定。
[0007]进一步的，基于奇异谱分析实现对扭力轴的性能退化分析包括：对能量数据进行预处理确定不同成分对应的特征值，进行奇异谱成分分解提取故障特性，进行疲劳破坏时期判定。
[0008]进一步的，对能量数据进行预处理的方法为：
[0009]对能量数据进行预处理，去除冗余数据，补齐缺失数据；其中，补齐缺失数据的规则为：设定一个固定的时间间隔10
‑
n
s，将数据中的时间项四舍五入精确到小数点后n位；然后补全相邻数据之间的缺失数据，补充的能量沿用前一时刻的值；如果相邻两项时间差值小于10
‑
n
s，那么在时间项四舍五入后这两项的时间值相同，故对这两项进行合并操作，能量值取两项中较大的值。
[0010]进一步的，进行奇异谱成分分解的方法包括如下步骤：
[0011](1)嵌入：
[0012]奇异谱成分的分析对象是有限长一维时间序列[x1,x2,...,x
N
]，N为序列长度；首先需要选择合适的窗口长度L将原始时间序列进行滞后排列得到轨迹矩阵：
[0013][0014]取令K＝N
‑
L+1，则轨迹矩阵X为L
×
K的矩阵为：
[0015][0016](2)分解：
[0017]对轨迹矩阵进行奇异值分解,即将X分解为以下形式：
[0018]X＝UΣV
T
ꢀꢀꢀ
(3)
[0019]其中，U为左矩阵；Σ为对角矩阵，主对角线上的值即为奇异值；V为右矩阵；U、V均为单位正交阵，满足UU
T
＝I,VV
T
＝I；
[0020]首先计算轨迹矩阵的协方差矩阵：
[0021]S＝XX
T
ꢀꢀꢀ
(4)
[0022]对S进行特征值分解得到特征值λ1＞λ2＞...＞λ
L
≥0和对应的特征向量U1,U2,...,U
L
，此时U＝[U1,U2,...,U
L
]，为原序列的奇异谱；且有：
[0023][0024]其中，λ
i
对应的特征向量U
i
反映了时间序列的演变型，称为时间经验正交函数；
[0025](3)分组:
[0026]计算迟滞序列X
i
在U
m
上的投影：
[0027][0028]X
i
表示轨迹矩阵X的第i列，是X
i
所反映的时间演变型在原序列的x
i+1
,x
i+2
,...,x
i+L
时段的权重,称为时间主成分；构成的矩阵为没有归一化的右矩阵，即
[0029](4)重构：
[0030]通过时间经验正交函数和时间主成分来进行重建，具体重构过程如下：
[0031][0032]其中，是x
i
‑
j
所反映的时间演变型在原序列的x
i+1
,x
i+2
,...,x
i+L
时段的权重，U
k,j
是λ
i
对应特征向量U
i
第j行的值；
[0033]这样，所有重构序列的和应当等于原序列，即：
[0034][0035]进一步的，进行疲劳破坏时期判定的方法为：
[0036]在裂纹成核阶段、微观裂纹扩展阶段、宏观裂纹扩展阶段和瞬时断裂阶段这四个阶段中，扭力轴产生裂纹速度较快，高能量声发射信号出现的频率较高，而在相邻两个疲劳破坏阶段之间，裂纹发展的速度相对缓慢，声发射的能量值相对较低；根据这一特点通过以下规则判断：
[0037]进入疲劳破坏阶段：此前不处于疲劳破坏阶段，当前能量趋势值E
t
高于声发射高能量门槛值E
th
，且在未来的t
last
时间内，E
t
大于E
th
的时间超过t
th1
；
[0038]结束疲劳破坏阶段：此前处于疲劳破坏阶段，且当前能量趋势值E
t
低于声发射高能量门槛值E
th
的持续时间大于t
th2
；
[0039]从而得到四个疲劳破坏阶段所在的时间区间。
[0040]进一步的，基于距离的健康度函数，实现对扭力轴全生命周期健康程度的判定的方法为：确定健康基准值，确定健康度函数斜率系数，构建健康度函数，获得各时刻健康度函数值，通过各时刻健康度函数值实现对扭力轴全生命周期健康程度的判定。
[0041]进一步的，确定健康基准值的方法为：
[0042]基于对疲劳破坏阶段所在时间区间的判定结果，将全部的声发射能量趋势值E
t
集合分为两个集合：High集合和Low集合；High集合对应判定的疲劳破坏阶段部分的E
t
，Low集合对应High集合以外的E
t
；由于Low集合中E
t
较低，为平稳序列，裂纹发展速度缓慢，故通过Low集合得出一个基准值a，认为当E
t
大于a时，扭力轴健康度向下波动，当E
t
小于a时，扭力轴健康度向上波动；
[0043]为了凸显出E
t
偏离基准值a对扭力轴健康度的影响，让(E
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤环声发射的扭力轴健康度评估方法，其特征在于，包括利用声发射传感器采集扭力轴在疲劳破坏过程中声发射信号的能量数据，通过基于奇异谱分析实现对扭力轴的性能退化分析，在性能退化分析的基础上，基于距离的健康度函数，实现对扭力轴全生命周期健康程度的判定。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤环声发射的扭力轴健康度评估方法，其特征在于，基于奇异谱分析实现对扭力轴的性能退化分析包括：对能量数据进行预处理确定不同成分对应的特征值，进行奇异谱成分分解提取故障特性，进行疲劳破坏时期判定。3.根据权利要求2所述的一种基于光纤环声发射的扭力轴健康度评估方法，其特征在于，对能量数据进行预处理的方法为：对能量数据进行预处理，去除冗余数据，补齐缺失数据；其中，补齐缺失数据的规则为：设定一个固定的时间间隔10
‑
n
s，将数据中的时间项四舍五入精确到小数点后n位；然后补全相邻数据之间的缺失数据，补充的能量沿用前一时刻的值；如果相邻两项时间差值小于10
‑
n
s，那么在时间项四舍五入后这两项的时间值相同，故对这两项进行合并操作，能量值取两项中较大的值。4.根据权利要求3所述的一种基于光纤环声发射的扭力轴健康度评估方法，其特征在于，进行奇异谱成分分解的方法包括如下步骤：(1)嵌入：奇异谱成分的分析对象是有限长一维时间序列[x1,x2,...,x
N
]，N为序列长度；首先需要选择合适的窗口长度L将原始时间序列进行滞后排列得到轨迹矩阵：取令K＝N
‑
L+1，则轨迹矩阵X为L
×
K的矩阵为：(2)分解：对轨迹矩阵进行奇异值分解,即将X分解为以下形式：X＝UΣV
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，U为左矩阵；Σ为对角矩阵，主对角线上的值即为奇异值；V为右矩阵；U、V均为单位正交阵，满足UU
T
＝I,VV
T
＝I；
首先计算轨迹矩阵的协方差矩阵：S＝XX
T
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)对S进行特征值分解得到特征值λ1＞λ2＞...＞λ
L
≥0和对应的特征向量U1,U2,...,U
L
，此时U＝[U1,U2,...,U
L
]，为原序列的奇异谱；且有：其中，λ
i
对应的特征向量U
i
反映了时间序列的演变型，称为时间经验正交函数；(3)分组:计算迟滞序列X
i
在U
m
上的投影：X
i
表示轨迹矩阵X的第i列，是X
i
所反映的时间演变型在原序列的x
i+1
,x
i+2
,...,x
i+L
时段的权重,称为时间主成分；构成的矩阵为没有归一化的右矩阵，即(4)重构：通过时间经验正交函数和时间主成分来进行重建，具体重构过程如下：其中，是x
i
‑
j
所反映的时间演变型在原序列的x
i+1
,x
i+2
,...,x
i+L
时段的权重，U
k,j
是λ
i
对应特征向量U
i
第j行的值；这样，所有重构序列的和应当等于原序列，即：5.根据权利要求4所述的一种基于光纤环声发射的扭力轴健康度评估方法，其特征在于，进行疲劳破坏时期判定的方法为：在裂纹成核阶段、微观裂纹扩展阶段、宏观裂纹扩展阶段和瞬时断裂阶段这四个阶段中，扭力轴产生裂纹速度较快，高能量声发射信号出现的频率较高，而在相邻两个疲劳破坏阶段之间，裂纹发展的速...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽曼，钱威，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：