基于状态空间特征提取的微裂纹定量检测

作者:万海波;杨世锡;刘永强; 刊名:振动.测试与诊断 上传者:吴慧敏

【摘要】非线性超声法对机械结构微裂纹检测的敏感性与有效性较好,但传统非线性超声法一般不能实现微裂纹定量检测。针对此问题,提出一种针对微裂纹的定量检测方法,通过提取裂纹引发的构件状态空间改变量以对裂纹进行识别、定量检测。该方法采用激光束与待测构件相互作用激发超声波,对其时域响应信号重构表征构件动态特性的状态空间,提取非线性特征参数巴氏距离(bhattacharyya distance,简称BD)对状态空间变量进行分析以对裂纹进行识别,进而利用扫描法实现裂纹的定量检测。通过对铝合金表面不同类型微裂纹的检测实验,验证了该方法对构件表面微裂纹定量检测的有效性。

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第39卷第2期2019年4月 振动、测试与诊断 Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis Vol.39No.2Apr.2019 doi:10.16450/ j.cnkii.ssn.1004-6801.2019.02.005基于状态空间特征提取的微裂纹定量检测*万海波1, 杨世锡2, 刘永强2 ( 1.浙江水利水电学院机械与汽车工程学院 杭州,310018) ( 2.浙江大学机械工程学院 杭州,310027) 摘要 非线性超声法对机械结构微裂纹检测的敏感性与有效性较好,但传统非线性超声法一般不能实现微裂纹定量检测。针对此问题,提出一种针对微裂纹的定量检测方法,通过提取裂纹引发的构件状态空间改变量以对裂纹进行识别、定量检测。该方法采用激光束与待测构件相互作用激发超声波,对其时域响应信号重构表征构件动态特性的状态空间,提取非线性特征参数巴氏距离( bhattacharyya distance,简称 BD)对状态空间变量进行分析以对裂纹进行识别,进而利用扫描法实现裂纹的定量检测。通过对铝合金表面不同类型微裂纹的检测实验,验证了该方法对构件表面微裂纹定量检测的有效性。 关键词 状态空间;微裂纹;定量;检测 中图分类号 TB551;TB559;TH132.4;TH113 引 言 机械、建筑、航天及医学等领域广泛采用金属材质作为其结构件。在构件的加工、工作过程中,在物理、化学等各类因素影响下,其表面及内部极易产生微裂纹。如果不能及时对裂纹做出检测、评估和判断,微裂纹会逐渐扩展,引发构件及设备的异常振动,乃至引发安全事故[ 1]。近年来,裂纹无损检测技术成为国内外众多学者的研究热点。 红外热成像检测、磁粉检测和超声波检测是检测金属裂纹时常用检测技术。其中,非线性超声波检测技术因成本低、检测效率高、对人体无害等优点被广泛使用。王芝等[ 2]利用超声亚谐波对裂纹梁表面闭合裂纹进行检测,研究了影响亚谐波产生的关键参数,结果表明亚谐波可有效识别铝制梁中的闭合型疲劳裂纹。李拯等[ 3]利用脉冲波与持续正弦激励波在待测构件中激发出非线性调制波,利用调制波对构件中疲劳裂纹作出检测,结果表明非线性调制波可有效识别构件中疲劳裂纹损伤。屈文忠等[ 4]利用脉冲波与持续正弦激励波在待测构件中激发非线性调制波,通过构造损伤指数DI对构件上疲劳裂纹特征进行分析,进而实现了裂纹的定位检测。 Jiao等[ 5]利用两束激励波对待测构件进行激励,通 过提取因疲劳裂纹存在而产生的非线性混频波对构件上疲劳裂纹成功进行检测。Singh等[ 6]利用有限元软件分析了非线性谐波及亚谐波与待测构件上呼吸裂纹相互作用情况,通过分析构件局部非线性特征成功对构件上呼吸裂纹进行检测。非线性激光超声检测法[ 7],即利用激光与待测构件表面相互作用在构件中激发超声波以对裂纹进行检测,其声波频率宽(可达100MHz),空间分辨率高,检测效率高,有望取代传统非线性超声波对微裂纹进行定量检测分析。 笔者提出一种基于状态空间特征提取的微裂纹定量检测方法。该方法基于状态空间机理及状态空间模型,通过提取非线性特征参数巴氏距离,获取微裂纹影响下构件动态特征改变量,提升裂纹检测精度,实现微裂纹的定量检测。为验证该方法的可行性,搭建一整套非线性激光超声微裂纹检测实验平台,对铝合金表面不同类型微裂纹进行检测并予以验证。 1 状态空间机理及空间模型建立方法 1.1 状态空间机理   状态空间是一个用以表示一实际系统所有可能 * 国家自然科学基金资助项目(51375434 );高校访问学者教师

参考文献

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