一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法技术

本发明专利技术公开了一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性检测方法。该方法适用于金属薄板中疲劳早期微缺陷、微损伤的检测与表征，属于无损检测领域。该方法首先根据被测对象和非线性Lamb波谐振条件，确定基频波的激励频率；在试件同侧方向方设置一对检测探头即超声波发射探头和接收探头，进行金属薄板结构非线性检测；通过改变激励信号激励时延，对试件不同位置进行扫查，提取基波幅值和二次谐波幅值；最后，根据超声非线性系数随检测位置的变化规律，可实现对金属板疲劳损伤的检测以及损伤程度的表征。本发明专利技术引入了一定频率下的带通滤波器，用带通滤波器替代了原有的高通滤波器，使得接收的信号更为纯净、同时也大大降低的数据处理的难度。

【技术实现步骤摘要】
一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法
本专利技术涉及金属材料高周疲劳损伤检测
，具体涉及一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法。
技术介绍
离心压缩机作为一种重要的能量转换装置，被广泛的应用在电力、能源、冶金、石油、化工等重要领域。叶轮、叶片作为离心压缩机的核心模块，FV520B高强钢作为制作叶轮、叶片常用材料，因其工作环境较恶劣，承受载荷较复杂、服役时间较长，往往容易发生疲劳失效。对设计良好的结构件而言，材料早期疲劳损伤(未形成宏观裂纹之前)占据整个疲劳寿命的较大比重，对于疲劳损伤的结构件来说，其早期性能退化占据了整个疲劳寿命的80％以上。尽管线性超声检测技术里包含无损检测技术对材料里宏观缺陷检测结果较为理想，但是对疲劳过程里宏观裂纹出现之前材料的早期损伤(如位错结构，微裂纹，孔洞)却不敏感。该技术能够克服传统无损检测技术存在的缺陷，对材料的早期损伤比较为敏感，可以用其检测材料疲劳早期的损伤程度。Lamb波本身因具有传播距离远、检测精度高、检测范围广、能量衰减小等特点，在板状结构的无损监测中应用较为广泛。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了设计合理的一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法，可以有效的实现对板材缺陷程度的表征，该检测系统高效且便捷。本专利技术的技术方案如下：一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法，包括如下步骤：1)获取金属薄板试件的相速度及群速度的频散曲线；2)基于上述的频散曲线来获取激励频率、特定模态的Lamb波以及所述特定模态的Lamb波的入射角作为模型参数；根据所确定的入射角的大小，制定出相应角度的楔块；3)根据步骤2)中特定模态的Lamb波推导归一化相对非线性参量β′/β0，归一化相对非线性参量β′/β0用于表征与评价材料的早期疲劳损伤程度；4)根据已经确定的模型参数，搭建非线性超声测试系统；5)根据步骤4)中建立的非线性超声测试系统对金属薄板进行测试并判断所述归一化相对非线性参量β′/β0是否可靠，如果可靠，则利用β′/β0来表征被测试金属薄板的损伤与缺陷。进一步的，所述步骤1)具体步骤如下：1.1)首先用Matlab求解Rayleigh-Lamb方程，Rayleigh-Lamb方程的表达式如下：对称模式；反对称模式其中，波数：角频率：w＝2πf，d为的厚度，f为频率，cP为相速度；将p、q、k分别代入到上述方程中，最终可将上述对称模式与反对称模式的方程写成为g(f,cp)＝0的形式；1.2)通过二分法，并借助Matlab编程来获得精确的数值解，绘制出高强钢材料的相速度与群速度频散曲线图，具体的步骤如下：1.2.1)根据被测板金属材料及其厚度，选定一初始频率f；1.2.2)设置一个初始相速度值(cp)0，带入方程g(f,cp)中来判断的其正负；1.2.3)设置另一个相速度(cp)1，并令(cp)1>(cp)0，把(cp)1带入方程g(f,cp)并判断其正负；1.2.4)通过判断1.2.2)与1.2.3)的结果是否异号，若为同号，需继续重复1.2.2)、1.2.3)两步工作，直到两者为异号停止，因函数是连续的，函数的解必然存在于使函数出现异号的区间内，假设该区域为[(cp)n，(cp)n+1]；1.2.5)在[(cp)n，(cp)n+1]区间内利用二分法思想进行逐步精确求解相速度cp；1.2.6)重复1.2.2)至1.2.5)的工作，可以求出初始频率下的其它数值解；1.2.7)此时分再选取多个频率，再把1.2.2)至1.2.6)的工作进行一遍，便可求出对应频率下的相速度；1.2.8)最终便可以绘制出相速度的频散曲线；1.2.9)根据相速度与群速度之间对应关系绘制出相应的群速速度频散曲线。进一步的，所述步骤2)具体步骤如下：2.1)检测方式和激励信号的选取：采用脉冲串波形作为激励信号，并采用同侧激发接收法的形式，为了能够得到更加清晰的二次谐波信号，测试时所选用模态的Lamb波必须满足群速度匹配和相速度匹配，并且所选用的基频和二倍频Lamb波必须为同种模式，即同时为对称模式或者同时为反对称模态；按照以上两条件对检测所用激励信号的频率进行选择，借助步骤1)中绘制出的金属材料频散曲线，利用频散曲线求出其相应的理论值，选取两个激发效率高且群速度快的Lamb波S1、S2；2.2)超声换能器及入射角度的确定：选择压电换能器作为检测所用超声换能器，激励信号的输入使用的是超声斜入射法，利用添加具有特定角度的斜楔来控制超声波在材料中的传播特性，对于金属薄板中传播的Lamb波而言，根据Snell定律楔块和试样中所选用S1模态频率下的相速度，计算得到楔块角度；对于步骤2.2)中入射角度获取具体的步骤可以通过Snell定律的公式求得：式中c楔块表示楔块的纵波速度、cL表示金属材料的纵波速度、cT表示金属材料的横波速度、α表示声波入射角、λ1表示纵波折射角、λ2表示横波折射角；通过上述的表达式，可以得出Lamb波在金属薄板中传播的Snell定律的表达式如下：式中cp表示特定模态下的Lamb波的相速度；进一步的，所述步骤3)具体步骤如下：3.1)下面给出非线性超声参量表征与评价材料损伤的表达式，其非线性表达式为：σ＝Eε(1+βε)(1)σ为正应变，ε为正应变，E为弹性模量，β为非线性系数；正应变ε为：声速c满足：质点在x方向上的一维波动方程:其中ρ是介质的密度，x是波传播的距离，t表示时间，u表示介质位于x处所对应的质点位移；将(1)、(2)、(3)代入到(4)中，可以得到：将f′(ε)按泰勒级数的形式展开：式中的△(ε3)为ε的高阶无穷小项；将(6)代入到(5)中可以得到：对于单频正弦波有：u(0,t)＝sin(wt)(8)式中w为角速度；将(8)分别代入(2)和(5)中，采用近似迭代最终可以得到：式中，A1为基波幅值，k为波数且k＝w/c二次谐波幅值：故可以得到超声非线性系数：则β正比与A2/(A1)2，故相对非线性系数可以简写成：3.2)在已经给定的声波频率与声波的传播距离的时候，即k与x保持不变，通过对基频波幅值A1与二倍频波幅值A2进行测量，获得材料的超声非线性系数β，可以用相对非线性系数β′来替代β，然后再通过将每次疲劳循环的相对非线性系数β′与原始试样的β0进行取比值，即β′/β0来作为归一化的相对非线性系数。进一步的，所述步骤4)具体步骤如下：4.1)信号的提取过程：脉冲信号由高能超声系统的信号发生器激发，经过衰减器进行衰减进入低通滤波器进行滤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)获取金属薄板试件的相速度及群速度的频散曲线；/n2)基于上述的频散曲线来获取激励频率、特定模态的Lamb波以及所述特定模态的Lamb波的入射角作为模型参数；根据所确定的入射角的大小，制定出相应角度的楔块；/n3)根据步骤2)中特定模态的Lamb波推导归一化相对非线性参量β′/β

【技术特征摘要】
1.一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)获取金属薄板试件的相速度及群速度的频散曲线；
2)基于上述的频散曲线来获取激励频率、特定模态的Lamb波以及所述特定模态的Lamb波的入射角作为模型参数；根据所确定的入射角的大小，制定出相应角度的楔块；
3)根据步骤2)中特定模态的Lamb波推导归一化相对非线性参量β′/β0，归一化相对非线性参量β′/β0用于表征与评价材料的早期疲劳损伤程度；
4)根据已经确定的模型参数，搭建非线性超声测试系统；
5)根据步骤4)中建立的非线性超声测试系统对金属薄板进行测试并判断所述归一化相对非线性参量β′/β0是否可靠，如果可靠，则利用β′/β0来表征被测试金属薄板的损伤与缺陷。


2.根据权利要求1所述的一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法，其特征在于，所述步骤1)具体步骤如下：
1.1)首先用Matlab求解Rayleigh-Lamb方程，Rayleigh-Lamb方程的表达式如下：

对称模式；

反对称模式
其中，波数：角频率：w＝2πf，d为的厚度，f为频率，cP为相速度；将p、q、k分别代入到上述方程中，最终可将上述对称模式与反对称模式的方程写成为g(f,cp)＝0的形式；
1.2)通过二分法，并借助Matlab编程来获得精确的数值解，绘制出高强钢材料的相速度与群速度频散曲线图，具体的步骤如下：
1.2.1)根据被测板金属材料及其厚度，选定一初始频率f；
1.2.2)设置一个初始相速度值(cp)0，带入方程g(f,cp)中来判断的其正负；
1.2.3)设置另一个相速度(cp)1，并令(cp)1>(cp)0，把(cp)1带入方程g(f,cp)并判断其正负；
1.2.4)通过判断1.2.2)与1.2.3)的结果是否异号，若为同号，需继续重复1.2.2)、1.2.3)两步工作，直到两者为异号停止，因函数是连续的，函数的解必然存在于使函数出现异号的区间内，假设该区域为[(cp)n，(cp)n+1]；
1.2.5)在[(cp)n，(cp)n+1]区间内利用二分法思想进行逐步精确求解相速度cp；
1.2.6)重复1.2.2)至1.2.5)的工作，可以求出初始频率下的其它数值解；
1.2.7)此时分再选取多个频率，再把1.2.2)至1.2.6)的工作进行一遍，便可求出对应频率下的相速度；
1.2.8)最终便可以绘制出相速度的频散曲线；
1.2.9)根据相速度与群速度之间对应关系绘制出相应的群速速度频散曲线。


3.根据权利要求1所述的一种用于金属薄板高周疲劳损伤的非线性波检测方法，其特征在于，所述步骤2)具体步骤如下：
2.1)检测方式和激励信号的选取：采用脉冲串波形作为激励信号，并采用同侧激发接收法的形式，为了能够得到更加清晰的二次谐波信号，测试时所选用模态的Lamb波必须满足群速度匹配和相速度匹配，并且所选用的基频和二倍频Lamb波必须为同种模式，即同时为对称模式或者同时为反对称模态；按照以上两条件对检测所用激励信号的频率进行选择，借助步骤1)中绘制出的金属材料频散曲线，利用频散曲线求出其相应的理论值，选取两个激发效率高且群速度快的Lamb波S1模态、S2模态；
2.2)超声换能器及入射角度的确定：选择压电换能器作为检测所用超声换能器，激励信号的输入使用的是超声斜入射法，利用添加具有特定角度的斜楔来控制超声波在材料中的传播特性，对于金属薄板中传播的Lamb波而言，根据Snell定律楔块和试样中所选用S1模态频率下的相速度，计算得到楔块角度；
对于步骤2.2)中入射角度获取具体的步骤可以通过Snell定律的公式求得：






式中c楔块表示楔块的纵波速度、cL表示金属材料的纵波速度、cT表示金属材料的横波速...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈冰冰，周启文，王鹏飞，杜超，郑三龙，王超，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33