一種基于激光振動(dòng)檢測(cè)金屬波紋管缺陷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種檢測(cè)金屬波紋管缺陷的方法，尤其是一種基于激光振動(dòng)檢測(cè)金屬 波紋管缺陷的方法，屬于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、機(jī)械、石油化工、冶金等領(lǐng)域。傳統(tǒng)無(wú)損 檢測(cè)主要有超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、X射線檢測(cè)、滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè)等。但是這些現(xiàn)有方法 均只能識(shí)別局部損傷，即每次檢測(cè)中只能識(shí)別針對(duì)性的小區(qū)域缺陷，并且需要專業(yè)人員實(shí) 施檢測(cè)和解釋結(jié)果，操作繁瑣、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。
[0003] 激光振動(dòng)檢測(cè)產(chǎn)品的缺陷是之后發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，與上述傳統(tǒng)檢測(cè) 技術(shù)相比，其適用范圍廣，可非接觸檢測(cè)任何金屬材料的外部和內(nèi)部缺陷，且具有操作簡(jiǎn) 便、檢測(cè)效率高、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。然而，基于振動(dòng)的損傷檢測(cè)需要同步測(cè)量波紋管局部或 整體的振動(dòng)情況，通過(guò)測(cè)量振動(dòng)時(shí)間來(lái)提取波紋管的動(dòng)態(tài)特性(如固有頻率）以揭示損傷的 存在，并使用異常點(diǎn)的振動(dòng)情況來(lái)定位損傷位置，因此不僅面臨如何從帶有非線性噪聲的 信號(hào)中提取動(dòng)態(tài)特性，以及如何關(guān)聯(lián)物理測(cè)量的損傷指標(biāo)、并找出損傷和定位損傷的難題， 而且波紋管不同于常規(guī)的壓力容器，表面有巨大的彎曲變形(波峰和波谷），增加了激光振 動(dòng)數(shù)據(jù)采集的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于:提出一種具有科學(xué)依據(jù)的基于激光振動(dòng)檢測(cè)金屬波紋管缺陷 的方法，使金屬波紋管缺陷的檢測(cè)不僅靈敏度高，而且無(wú)需全面掃描即可準(zhǔn)確確定缺陷位 置，使檢測(cè)操作簡(jiǎn)便、效率提高。
[0005] 本發(fā)明進(jìn)一步的目的在于:通過(guò)數(shù)據(jù)加工，獲得包括缺陷大小、深度在內(nèi)的缺陷損 傷指標(biāo)，以便對(duì)金屬波紋管的健康狀態(tài)進(jìn)行合理的評(píng)估，采取相應(yīng)的處理措施。
[0006] 申請(qǐng)人研讀了 作者白彭津的《Highly FIexib 1 e Structures : Mode 1 ing， Computation and Experimentation》一書（Pai，P.F·，Highly Flexible Structures : Modeling,Computation and Experimentation,AIAA,Reston,Virginia,2007) 合實(shí)際的深入研究認(rèn)識(shí)到:基于BEEM(Boundary-effect evaluation method邊界效應(yīng)評(píng)估 法），把結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行擬合，可以得到相應(yīng)的中心函數(shù)和邊界層函數(shù)，其邊界層函數(shù) 及其組合只在結(jié)構(gòu)邊界上才是非零的。對(duì)于一個(gè)損傷結(jié)構(gòu)，由于損傷在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引入了新 的邊界，因此從由結(jié)構(gòu)得到的邊界函數(shù)在損傷邊界上也是非零值。通過(guò)判斷損傷曲線的突 變區(qū)域就能獲得損傷的位置、大小，而通過(guò)缺陷形成能和吉布斯自由能平衡公式可以獲得 損傷的深度。
[0007] 金屬波紋管的損傷缺陷將局部邊界點(diǎn)/線引入到波紋管的結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)缺陷附 近的斜率、曲率或其他高階空間導(dǎo)數(shù)會(huì)存在不連續(xù)，必然使其振動(dòng)參數(shù)(振幅、速度和加速 度等）以某種規(guī)律發(fā)生相應(yīng)的改變，因此這種不連續(xù)性的提取可以清楚地顯示損傷位置。
[0008] 基于以上研究，申請(qǐng)人提出了本發(fā)明基于激光振動(dòng)檢測(cè)金屬波紋管缺陷的方法， 包括以下基本步驟：
[0009] 第一步、振動(dòng)激勵(lì)一一向被檢測(cè)金屬波紋管發(fā)出預(yù)定頻率范圍的振動(dòng)激勵(lì)(該激 勵(lì)可以由激光測(cè)振儀內(nèi)部信號(hào)控制或者純外界信號(hào)控制）；
[0010] 第二步、確定頻率--采用激光測(cè)振儀掃描被測(cè)金屬波紋管（線掃描或面掃描均 可），獲取金屬波紋管的振動(dòng)頻譜，根據(jù)頻譜中的振型圖（例如動(dòng)畫圖等)及振動(dòng)頻率峰值確 定被測(cè)金屬波紋管在預(yù)定頻率范圍的各階固有頻率，并在各階固有頻率中選取振動(dòng)峰值大 于平均振動(dòng)峰值的頻率之一作為檢測(cè)頻率；
[0011] 第三步、沿線掃描一一用激光測(cè)振儀在選定的檢測(cè)頻率下先后沿被測(cè)金屬波紋管 兩個(gè)相互垂直的方向掃描獲取波紋管的操作變形振型曲線（該曲線可以為振動(dòng)振幅曲 線一一通常為平均振幅、或相應(yīng)的振動(dòng)速度曲線、振動(dòng)加速度曲線，平均振幅曲線對(duì)時(shí)間的 一階微分為相應(yīng)的振動(dòng)速度曲線，二階微分為相應(yīng)的振動(dòng)加速度曲線）；
[0012] 第四步、得到坐標(biāo)一一由兩條操作變形振型曲線上振動(dòng)突變處的縱橫坐標(biāo)確定缺 陷位置。
[0013]為了達(dá)到進(jìn)一步的目的，本發(fā)明還包括以下步驟：
[0014] 第五步、確定大小一一根據(jù)兩條操作變形振型曲線上突變段的長(zhǎng)度與相應(yīng)方向掃 描實(shí)際長(zhǎng)度的比例關(guān)系，分別得出決定缺陷大小的缺陷實(shí)際長(zhǎng)度和寬度。
[0015] 當(dāng)缺陷較小時(shí)，以上第四步的操作變形振型曲線往往難以清晰顯示振動(dòng)突變，此 時(shí)可采用BEEM邊界效應(yīng)理論對(duì)每條操作變形振型曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以得到所需的驗(yàn)證結(jié) 果。根據(jù)BEEM，每條曲線均能獲取10個(gè)相互印證的用于表征缺陷位置的損傷指標(biāo)，分別為 (：3，(：4，(^,(^,(：1(：3，(^〇；，，0，(})及〇(其物理意義參見表1)，且這些指標(biāo)均能繪制成相應(yīng) 的曲線將很小的缺陷在相應(yīng)的曲線上顯現(xiàn)出來(lái)，直觀表現(xiàn)為曲線的突變或不連續(xù)。選取該 10個(gè)指標(biāo)中任一個(gè)能清晰顯示損傷位置的曲線（如曲線），通過(guò)其曲線上突變處的縱 橫坐標(biāo)即能確定缺陷的位置。
[0016] 該數(shù)據(jù)處理方法以邊界效應(yīng)評(píng)估理論為科學(xué)依據(jù)，試驗(yàn)研究表明，一個(gè)常規(guī)的金 屬波紋管在頻率為Ω的諧波激勵(lì)下，其穩(wěn)定操作變形振動(dòng)(0DS)W(幻可以表示成以下關(guān) 系式：
[0022] ai、a2、bi和b2--為PF(J)表達(dá)式中各項(xiàng)式系數(shù)，可以通過(guò)激光振
[0023] 動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得，無(wú)量綱
[0024] (三Λ?)--無(wú)為相對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)Xm的坐標(biāo)，X為坐標(biāo)變量，單位Ι?Π?β--激光振 動(dòng)儀測(cè)得的金屬波紋管操作變形振型的單個(gè)波長(zhǎng)的平均波數(shù)，單位個(gè)
[0025] λ一一金屬波紋管激光振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所代表的信號(hào)波長(zhǎng)，可在操作變形振型曲線 中直接獲得
[0026] m一一為金屬波紋管每單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，單位Kg
[0027] ω(=2η/Τ)--金屬波紋管振動(dòng)時(shí)在一個(gè)周期Τ的平均頻率，單位HzCiXhChCh 和? -一F (無(wú))表達(dá)式中各項(xiàng)式系數(shù)，均為^的函數(shù)。
[0028] C1、C2、C3、C4可通過(guò)BEEM理論的如下擬合誤差過(guò)程得到 ：
[0029] (1)
[0030] (1)式中
[0031 ] Error--無(wú)量綱擬合誤差
[0032] Qi--加權(quán)系數(shù)，ai=丨八1+ | 99i/N | )，i =丨，2……N，N為激光振動(dòng)儀采集的數(shù)據(jù)總 個(gè)數(shù)
[0033] ffi一一為在第i個(gè)點(diǎn)模擬的振動(dòng)數(shù)據(jù)，單位mm
[0034] Y,一一為在第i個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)，單位mm令擬合誤差最小，得到
[0035]
⑵
[0036] 求解(2)即可得到所需的&、C2、C3、C4值。
[0037] Κ-Π 一一為穩(wěn)定狀態(tài)下金屬波紋管簡(jiǎn)諧振動(dòng)最大彈性能密度和最大動(dòng)能密度的 差值，單位J
[0038] ffiBpi^.(^.)--為在耳點(diǎn)的模擬數(shù)據(jù)，單位mm
[0039] Y,--為在寫點(diǎn)的激光振動(dòng)采集的數(shù)據(jù)，單位mm
[0040] SSD 為擬合曲線橫截面標(biāo)準(zhǔn)誤差
[0041 ]理論上，由以上運(yùn)算處理可以得到下表的10個(gè)相互關(guān)聯(lián)的損傷指標(biāo)，包括c3，C4， C^C^CiC^C^CtAj，Φ，SSD，并由此確保損傷缺陷檢測(cè)結(jié)果的正確性。
[0042]表1 10個(gè)損傷指標(biāo)的物理意義 [0043]
[0045] 此外，第五步也可借助BEEM理論，對(duì)每條操作變形振型曲線進(jìn)行處理，獲取10個(gè)損 傷指標(biāo)，選取任一個(gè)能清晰顯示損傷位置的印證曲線（如曲線），通過(guò)印證曲線上突變 段的長(zhǎng)度和相應(yīng)方向掃描實(shí)際長(zhǎng)度的比例關(guān)系，分別得出決定缺陷大小的缺陷實(shí)際長(zhǎng)度和 寬度。
[0046] 第六步、確定深度一一求解以下方程組得出缺陷深度
[0052] s三e/h
[0053] 其中
[0054] β--激光振動(dòng)儀測(cè)得的金屬波紋管操作變形振型的單個(gè)波長(zhǎng)平均波數(shù)，單位個(gè)
[0055] L一一缺陷處到缺陷右側(cè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)之間的距離，單位mm
[0056] ff一一為最大慣性載荷下金屬波紋管的靜態(tài)變形，由激光測(cè)振儀測(cè)得，單位mm，W"、 W"'分別為其二階和三階導(dǎo)數(shù)
[0057] h--金屬波紋管壁厚，單位mm
[0058] e一一缺陷的深度，單位mm
[0059] s一一缺陷深度e與波紋管壁厚h的比值 [0060] v--泊松比
[0061 ] fiBPfi(s)--1類應(yīng)力強(qiáng)度因子，單位_4;";;，由下式求得：
[0064] f2即f2(s)--Π 類應(yīng)力強(qiáng)度因子，單v由下式求得:
[0065]
[0066] FiBPFi(s)--以s為變量的中間函數(shù)，無(wú)量綱 [0067] Fn即Fn(s)--以s為變量的中間函數(shù)，無(wú)量綱
[0068] Ci--位移中心解，無(wú)量綱
[0069] C3一一邊界層位移解，無(wú)量綱
[0070] 以上公式的推導(dǎo)依據(jù)及有關(guān)詳解可查看《Highly Flexible Structures: Modeling,Computation and Experimentation》。
[0071] 由此可見，本發(fā)明利用激光測(cè)振的多普勒效應(yīng)理論，可以方便快捷獲取金屬波紋 管的振動(dòng)信息，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的BEEM(Boundary_effect Evaluation Method)數(shù)據(jù)處理方法對(duì) 采集到的〇DS(Operational Deflection Shapes操作變形振型)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲取金 屬波紋管缺陷的相關(guān)結(jié)果。采用本發(fā)明后，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著進(jìn)步：
[0072] 1)靈敏精確一一可以檢測(cè)出金屬波紋管尺度0.1_級(jí)的微小缺陷；
[0073] 2)效率提高一一借助激光測(cè)振儀可進(jìn)行線或面掃描快速檢測(cè)大型金屬波紋管；
[0074] 3)在線檢測(cè)--可以在線檢測(cè)，不影響金屬波紋管的正常工作；
[0075] 4)數(shù)據(jù)可靠一一可以得到彼此相互印證10種損傷識(shí)別指數(shù)，確保損傷的定位精度 和檢測(cè)結(jié)果的可靠；
[0076] 5)結(jié)果直觀一一檢測(cè)結(jié)果易于圖形化，容易理解和處理；
[007