一种适用于检测材料早期疲劳损伤的新成像检测方法技术

本发明专利技术提出一种适用于检测材料早期疲劳损伤的新成像检测方法，其步骤为：首先定义检测材料的参数和几何形状，并设计传感器阵列；其次，根据检测材料的几何形状选择主模态导波类型和非线性谐波类型，绘制主模态和谐波的相速度频散曲线，依据相位匹配和非零能流耦合条件选择主模态导波的模态和频率，并通过传感器阵列对检测材料进行检测，获得振动位移信号；最后，通过层析成像技术对振动位移信号进行带通滤波和短时傅里叶变换后进行积分并计算材料的早期疲劳损伤的概率分布，完成了对检测材料早期疲劳损伤的检测。本发明专利技术将非线性超声导波技术与层析成像技术相结合，实现早期损伤检测的可视化、图像化，提高材料降解检测的敏感性、准确性和快速性。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于检测材料早期疲劳损伤的新成像检测方法
本专利技术涉及无损检测技术和结构健康检测领域，具体为一种适用于检测材料早期疲劳损伤的非线性超声导波技术与层析成像技术结合的新成像检测方法。
技术介绍
核电、氢能储运、石油化工等领域的服役装备长期工作于高温、高压、重载、腐蚀等严苛工况，其核心构件会发生以氢腐蚀、位错滑移、闭合微裂纹等为代表的早期微细观损伤。在宏观损伤出现之前对服役构件的早期材料损伤进行准确表征和预测，能够有效避免结构突然失效所带来的灾难性破坏和人民生命财产损失。超声导波是无损检测和结构健康监测领域的最前沿技术，已经在钢材、管道、铁轨、船舶和飞机等很多领域得到了应用，如管道中气体滞留的检测、固定翼和旋转翼飞机上的结冰检测及除冰等。与传统无损检测技术相比，导波检测具有可靠性高、准确度好的特点，可在不同的波导结构中传播。超声导波对材料的外部腐蚀、冲蚀、环向裂纹、焊缝错边、焊接缺陷和疲劳裂纹等各种缺陷有卓越灵敏度，加之其在长距离大范围、便捷性及特征参量丰富性等其他方法无法媲美的优势，是无损检测领域最新的研究热点。导波检测的成功与否很大程度上取决于波型模式的选择和信号分析，一个波导结构中存在很多种波型模式。导波的传播需要满足特定的边界条件，这个边界可以是一个结构的上下表面，可以是薄板、杆、管和多层材料等自然波导结构的表面。在以薄板为代表的立方体材料中，用于无损检测的导波主要有兰姆波(Lamb波)和水平剪切波(SH波)。其中，Lamb波是一种传播方向为x方向时材料粒子振动方向为x和z方向的表面波，板的上下表面应力为零，Lamb波属于在均匀各向同性自由边界板中的导波，分为对称模式(S模式)和反对称模式(A模式)；SH波是一种传播方向为x方向时材料粒子振动方向为y方向的表面波，即平面内由任何SH波模式产生的粒子振动平行于板层表面，板的上下表面应力为零，SH波属于在均匀各向同性自由边界板中的导波，分为对称模式(SHa，a＝0,2,4,…)和反对称模式(SHb，b＝1,3,5,…)。主模态声波在传播过程中会与位错、晶相析出、微孔隙、微裂纹等材料微观结构相互作用，并耦合引起声波畸变，产生幅度累积增长的高阶谐波、次谐波、谐振频率改变等非线性效应。线性超声波的接收信号与激励信号的频率相同，而非线性超声波中目标接收信号的频率和主模态的频率不同。位错、晶相析出、微孔隙、微裂纹等材料微观结构对谐波模态的幅度有明显影响，而对主模态则几乎没有影响。非线性超声导波技术就是利用超声波在材料中传播时与传播介质或微观结构相互作用而产生的非线性响应信号，从而对材料的微裂纹、早期疲劳损伤、高温蠕变退化等早期损伤，以及对复合材料界面脱粘和分层等进行有效的早期损伤健康检测。非线性超声导波因具有强穿透能力和对材料微细观结构变异的高敏感性，已经成为构件早期损伤评估的重要技术方法。但是，非线性效应的信号强度往往较低，且具有幅度累积增长效应的非线性谐波还未实现精准激励。层析成像，又名断层成像，是指通过从多个方向对待检测物体发射激励信号，进而收集到透射或反射数据，实现对物体的横断面成像，该方法属于一种图像反演方法，通过在某角度指定方向上对信号强度进行积分，在传输能量中获得所需要的信息。层析成像也是近年来发展迅速的一种检测技术，特别是在医学、地球物理和无损检测等领域有较大的突破。在无损检测领域，层析成像结合导波技术，在管道、铁路、飞机结构、粘接、甚至人骨的检测等领域已有充分发展，可探测并定位损伤，但该技术的成像通常只能粗略估计厚度，无法准确地确定缺陷的大小。而导波层析成像可以根据导波的频散特性，将检查区域周围的换能器阵列捕获的超声波信号进行反演来重建厚度图，具有准确性和快速性。现有的导波层析成像采用的都是线性导波，由于没有利用非线性导波参数，所能检测的缺陷均为明显的宏观缺陷，对材料早期疲劳损伤的检测灵敏度较低。所以，有必要将材料及结构力学性能细微变化和超声导波任意阶次非线性谐波的耦合规律进行关联，实现广义的微扰动和非线性谐波模态用于检测的分析，精准激励具有幅度累积增长效应的非线性谐波，结合非线性超声导波技术与层析成像技术，实现早期损伤检测的可视化、图像化，提高材料降解检测的敏感性、准确性和快速性。
技术实现思路
针对上述
技术介绍
中的不足，本专利技术提出了一种适用于检测材料早期疲劳损伤的新成像检测方法，提供精准激励具有幅度累积增长效应的非线性谐波的方法，并结合非线性超声导波技术与层析成像技术，用于解决现有超声导波技术对材料早期疲劳损伤等细微早期缺陷的检测灵敏度较低的技术问题。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种适用于检测材料早期疲劳损伤的新成像检测方法，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M本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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；/n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M

【技术特征摘要】
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。
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【专利技术属性】
技术研发人员：李健，赵成威，刘洋，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12