CN114996914A - 基于跨点频响固有阻尼特征识别金属构件疲劳损伤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于跨点频响阻尼特征识别金属结构件疲劳损伤的方法，属于结构件疲劳损伤定量检测识别技术领域；解决了复杂装备关重金属结构件的疲劳损伤快速定量识别与预测的问题；包括以下步骤：调研被测金属结构件运行工作状况和基本信息，确定疲劳损伤的关注位置；分析金属结构件的动态特性，确定跨点频响阻尼特征试验方案和测试参数；组建测试系统实施金属结构件疲劳过程中的跨点频响阻尼特征参数测试；根据金属结构件疲劳损伤微观组织与宏观特性的研究概略识别疲劳损伤状态；精准定量识别金属结构件疲劳损伤状态并分析计算试件剩余疲劳寿命；本发明能够在线实时监控关重金属结构件的运行质量和疲劳状况，充分保证复杂装备运行的可靠性和安全性。

Description

基于跨点频响固有阻尼特征识别金属构件疲劳损伤的方法

技术领域

本发明提供了一种基于跨点频响固有阻尼特征识别金属构件疲劳损伤的方法，属于结构件疲劳损伤检测识别技术领域，具体为用跨点频响阻尼特征快速检测识别金属结构件疲劳损伤的方法。

背景技术

金属材料（构建）在周期荷载条件下，因金属内塑性变形使其强度降低，进而导致裂纹产生或突然断裂的现象称为疲劳破坏。据统计，工程中的零部件发生失效破坏80%以上都是由疲劳引起的。金属结构件从开始加载至断裂经历的循环周期称为疲劳寿命，疲劳寿命的预测与评估是研究金属疲劳性能的重要参数，而传统的疲劳分析方法各有其特点和局限性。

在工程实践中，常常需要尽早发现结构件初始裂纹的产生并记录裂纹扩展过程，根据被检构件材料及结构形式的差异，目前已发展出了多种无损检测方法。不同的无损检测方法由于其检测原理和特性的不同而有各自的优缺点，但对于高强度合金材料低周疲劳试样的在线无损检测，因其裂纹扩展寿命短、裂纹扩展速率快等特点，常规无损检测方法的可靠度和准确度都无法达到满意的效果。

随着振动测试技术的发展，人们发现可以从金属材料因疲劳损伤导致结构动态特性变化的角度出发，以频率、幅值和阻尼因子等动力学参数为指标，进而评估金属材料的疲劳性能，该方法具有快速性和实时性的特点，体现了较好的预测精度。

油田大量使用的采油机抽油杆，长期在野外无人值守条件下连续工作，在长期拉压往复运动中还要承受多种环境的横向载荷作用，需定期更换淘汰成千上万的废旧抽油杆。由于各采油机工作特性和环境载荷的差异，使成批抽油杆需要检定其疲劳损伤性能，以确定其剩余使用寿命。军用车辆上大量使用的扭杆式减振器，由于长期使用在恶劣越野路面上，扭力杆承受很高的扭转循环载荷，并伴有车辆越野时车体冲击振动诱发的扭力杆横向振动，扭力杆承受复杂的疲劳载荷作用，扭力杆被扭断的情况影响了装备效能的正常发挥，急需检定扭力杆的剩余疲劳寿命。大型起重设备是港口作业的主力，长期承受着复杂的循环载荷，容易因疲劳损伤造成断裂，酿成恶劣事故，急需检测承受大循环载荷构件的疲劳性能，防止出现疲劳断裂，预防安全事故发生。

长传动轴系是传递路径长的复杂结（机）构系统，工作负荷重，运动部件载荷变化频繁，是常用的承受交变载荷作用的典型金属结构件。影响长传动轴系运动部件动作过程的随机因素多，由于振动冲击、摩擦磨损、弹性元件动态变形、弯扭耦合多向受力等的影响，容易造成主要部件（轴承、联轴器和轴等）运行的稳定性和可靠性不高。长轴系微小不对中产生弯扭耦合转动、转速波动和冲击振动使构件疲劳损伤、产生裂纹故障，严重时导致轴系构件断裂、系统不能正常运行。所以基于多跨点频响特性、振动、声学等的在线检测与疲劳故障分析研究，对实现长传动轴系关重部件的疲劳损伤快速准确识别与预测，提高系统运行可靠性，以及对整个长传动轴系可靠性技术研究都有十分重要的意义。

本发明从常用承受交变载荷作用的金属结构件的宏观固有特性出发，通过研究宏观的跨点频响特性参数与金属结构件材料微观组织的联系，用装备构件实际运行过程中的疲劳试验测试数据，通过现场特征提取，快速定量识别金属结构件材料的疲劳性能，通过跨点频响固有阻尼特性参数变化的快速分析，提出一种快速实用的金属结构件疲劳寿命识别预测方法。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于跨点频响固有阻尼特征识别金属结构件疲劳损伤的方法的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于跨点频响固有阻尼特征识别金属结构件疲劳损伤的方法，包括以下步骤：

步骤1：调研被测金属结构件运行工作状况和基本信息，确定疲劳损伤的关注位置；

步骤2：分析金属结构件的动态特性，确定跨点频响阻尼特征试验方案和测试参数；

步骤3：组建测试系统实施金属结构件疲劳过程中的跨点频响阻尼特征参数测试；

步骤4：根据金属结构件疲劳损伤微观组织与宏观特性的研究概略识别疲劳损伤状态；

步骤5：精准定量识别金属结构件疲劳损伤状态，分析计算试件剩余疲劳寿命。

进一步的，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：需要深入了解被检测疲劳性能的金属结构件的实际运行工作状况，包括：工作方式、空间尺寸分布、材料性质、主要受载情况、产生疲劳损伤的过程等，可通过被检试件工作现场运行工况的调研，采用快速试敲方式（手敲或力锤激励），听取声响获取金属结构件的感性信息，查阅被检金属结构件的已有图纸和运行历史资料；

步骤1.2：建立被检测疲劳性能的金属结构件力学模型，分析其动力学特性参数，包括固有频率和振型，根据频率和振型初步确定被检金属结构件可能发生疲劳损伤（应力集中）的大致范围，按实际工况施加载荷进行受力分析，在模型上做谐波分析和动力学响应；

步骤1.3：采用试激励方式快速评估被试金属结构件的基本特性，包括重点关注区域和关注部位的大致频率分布范围，再结合建模计算分析结果，确定被试金属结构件产生疲劳损伤的重点关注位置。

进一步的，所述步骤2还包括以下步骤：

步骤2.1：测试选定的承受交变载荷作用的被试金属构件的固有振动特性，包括：固有频率、振动形状，振动衰减规律等，分析并提取其主要特征参数，快速粗略地描述被试金属结构件的疲劳损伤特性；

步骤2.2：给出金属结构件疲劳损伤出现裂纹前期的跨点频响试验方案，确定采用阻尼特征进行疲劳性能测试的各种测试参数，包括最高分析频率f_m、采样频率f_s、采样点数N、FFT点数2ⁿ、频率分辨率∆f等。

进一步的，所述步骤3中，还包括以下步骤：

步骤3.1：组建便携式跨点频响阻尼特征参数测试系统，测试系统包括：（1）4通道24位云智慧数据采集仪，（2）匹配采集仪的7寸屏微型电脑，（3）装入电脑的跨点频响阻尼特征分类识别软件，（4）装ICP力传感器的宽频带力锤，（5）ICP三轴向加速度计；

步骤3.2：针对被测金属结构件，在所选定的疲劳损伤关注部位设置激励和响应测点，用便携式测试系统实施疲劳过程中（或在装备运行暂停时）的跨点频响特性测试；

步骤3.3：针对所测跨点频响的幅频特性曲线，由电脑内置软件提取跨点频响幅频曲线中主频的半功率带宽参数，计算出主频所对应的阻尼比；

步骤3.4：电脑内置软件包含有改善频率分辨率进而提高阻尼比测试精度的算法，保证测试获得高可靠性的主频对应阻尼比。

进一步的，所述步骤4还包括以下步骤：

步骤4.1：利用跨点频响阻尼特性与金属结构件的微观组织关系密切的研究结果：当交变载荷作用疲劳开始到持续很长一段时间，构件材料的微观组织发生变化，特别是晶格位错、扭曲和滑移将产生结构的阻尼特性缓慢变化；随着疲劳损伤的增加，构件跨点频响测试的阻尼比呈上升趋势，刚开始出现疲劳时，阻尼比的变化不大，随着疲劳损伤增加阻尼比变大加快，在接近疲劳寿命终了前一阶段阻尼比快速增大，出现微裂纹前达到阻尼比的上限极值，构件出现微裂纹后阻尼比又快速下降；随着疲劳循环次数的增加，微观组织晶格变化增大使得结构的阻尼比单调增加变化，为利用固有阻尼特性识别金属结构件疲劳性能提供了依据。

步骤4.2：金属构件在疲劳加载条件下可以用构件固有频率和阻尼比作为其评估疲劳性能的指标，由于金属结构件固有频率受结构参数变化的影响较多，诸如结构尺寸、连接装配关系、界面和约束条件等，而阻尼比仅与材料特性关系密切；跨点频响试验结果表明，疲劳过程的阻尼比变化曲线在构件出现疲劳断裂前与疲劳循环次数呈单调关系。

步骤4.3：采用跨点频响特征分析方法可以实现金属结构件在工作状态下的疲劳损伤识别，在整个疲劳寿命区间，固有频率变化范围在10%左右，阻尼比参数的变化范围可达到30%以上，甚至达到300%，用阻尼比进行疲劳过程监测，可以解决生产实际中难于在线识别和寿命预测问题。

步骤4.4：将无疲劳损伤的被测金属结构件（制造出来尚未进入运行状态）测得的阻尼比作为比对和疲劳分类的基准，再对现场使用的具有不同循环次数的同种材料试件测试结果进行比对和分类；

步骤4.5：在被测金属结构件上（同种材料）确认一无交变载荷作用的部位和区域，测试无疲劳损伤时的阻尼比作为比较和分类的基准；再对具有未知循环次数的有交变载荷作用的试件部位和区域进行测试，对比测试的阻尼比结果并进行分类；

步骤4.6：在疲劳试验机上做出与被测金属结构件相同材料的标定试验件，在疲劳试验机上按不同循环加载时间（次数）进行多阶梯次跨点频响试验（其测试频度可视拟合与标定精度而定），获得该种材料不同循环次数的阻尼比数值，作为定量识别时比对分类的样板，确定现场被试金属结构件的疲劳损伤程度；

步骤4.7：对承受不同种类交变载荷，包括拉压、弯曲、弯扭、三向作用载荷的多种工作方式下的易疲劳损伤的工程金属结构件材料，制成适应不同疲劳试验机的常用材料的标准试件，在不同种类的疲劳试验机上做疲劳试验获得不同材料不同循环次数的阻尼比数值，形成标定用数据库，为跨点频响阻尼特征定量识别现场金属结构件疲劳损伤提供依据；

步骤4.8：概略识别疲劳损伤状态的可分成5类：①轻微疲劳：阻尼比变化率β<50%，②轻度疲劳：50%<β<80%，③中度疲劳：80%<β<120%，④重度疲劳：120%<β<150%，⑤危险疲劳：β>150%。

进一步的，所述步骤5还包括以下步骤：

步骤5.1：根据对金属结构件在疲劳试验机上进行拉压交变载荷作用过程的多阶梯次跨点频响测试获取阻尼比峰值的变化规律（从起始零疲劳到出现微裂纹的全过程的多个节点的数据），做出拟合曲线，分析不同循环次数时的剩余寿命；

步骤5.2：由于不同材质金属结构件的屈服极限和强度极限各不相同，检测得到的阻尼比虽然能给出相对于无疲劳损伤材料阻尼比的比值倍数，但难于确定金属结构试件精确的剩余寿命；由于涉及材料本身的性质（冲击韧性等差异），因而通常仅能给出近似的剩余寿命；这就需要给出一条疲劳应力从交变载荷开始作用一直到出现断裂前有了微裂纹整个疲劳区段的劣化曲线，尽管已有不同的具体金属结构件的劣化曲线可参考使用，但对于工程现场不同使用环境的具体金属结构件，特别是在需要精确预测剩余寿命时，就需做出具体的劣化曲线，并在其中做多阶梯次测试阻尼比数据，拟合出可供剩余寿命预测用的阻尼比变化曲线和相对于无疲劳时的比值。

步骤5.3：针对不同材质金属结构件建立疲劳损伤力学模型，施加不同阶次载荷仿真计算出各自的疲劳应力值，用机器学习算法构建疲劳缺陷特征与疲劳寿命的关系，用微小变化量的K-L散度分析方法预测疲劳损伤的程度，并用试验测试结果修正理论计算模型，为计算机仿真预测疲劳寿命做试验验证。

进一步的，所述用跨点频响固有阻尼特征识别预测的金属结构件疲劳损伤预测方法还包括：采用绝对式的疲劳损伤检测方法，测试出所关心区域疲劳应力所对应的跨点频响主频阻尼比的数值；在标定试件上标定该种金属结构材料的疲劳应力与阻尼比之间的对应关系；建立金属结构件材料微观组织特征与宏观动态特性之间的联系，为工程应用建立一套实用的理论预测模型。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明形成的基于跨点频响固有阻尼比快速识别并预测金属结构件疲劳损伤性能的方法，能够实现工作环境现场在线实时监测金属结构件的运行质量和疲劳状况，充分保证运行中复杂系统关重金属结构件的可靠性和安全性；可以在复杂系统关重结构件的模拟试验台架上，开展有关金属结构件疲劳损伤寿命预测的相关研究工作，为航空航天、兵器、船舶、核动力等国防重要领域提供可靠的技术支撑；应用后使严重疲劳损伤的预测准确率达到90%以上，提出一套用于各种金属结构件的疲劳损伤预测方法并在各种金属结构件快速寿命预测中获得有效的验证。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明快速识别预测疲劳方法的流程图；

图2为某焊接成形金属结构件实测的低周疲劳过程的阻尼比变化曲线。

具体实施方式

如图1和2所示，本发明的一个重要的应用领域之一是长轴系传动系统，船舶动力传动就是长轴系，从几米到上百米不等。长传动系统是舰船动力推进的重要组成部分，主要由联轴器、离合器、传动轴、减速齿轮箱和支承轴承等组成，针对传动系统在舰船运行中可靠性的高可靠性问题，本发明通过对传动轴系固有阻尼特性的运行现场检测技术与疲劳损伤定位定量方法的研究，形成一套现场疲劳损伤状态快速识别与预测方法。

本发明针对船舶传动系统承受重载、大扭矩和多变工况的特点，以及船体微小变形（航行中极易出现）造成长轴系对中状态变差，在大扭矩转速下形成弯扭+轴向大载荷，容易出现疲劳损伤和裂纹断裂，亟待开展长轴系传动系统中弹性联轴器、支承轴承、传动轴等部件的疲劳损伤识别与预测研究。将先进的结构动力学跨点频响理论与关重结构件微观组织劣化、疲劳损伤特征提取技术等有机结合，提出一种用跨点频响主频阻尼比识别关重结构件早期疲劳损伤的方法，研究复杂传动系统关重部件在高转速、大扭矩、冲击振动作用下疲劳损伤类故障的发生与发展机理，通过在多尺度下探讨功率损耗特性来预测疲劳损伤与早期裂纹故障，运用现代信号处理新理论（计算智能）和基于跨点频响等智能算法来提取微弱疲劳损伤与早期裂纹故障特征，并识别疲劳损伤出现的环节和部位等。在此基础上将冲击振动理论、疲劳损伤与裂纹扩展理论结合起来，预测发生疲劳损伤、疲劳裂纹类故障的程度和疲劳损伤发展的规律并建立基于多跨点频响特征参数分析与微观组织信息融合的在线疲劳损伤快速检测识别理论与方法，开发出便携式检测识别装置，在线实时监控长轴系的装配质量和运行状态，预测轴系关重部件的疲劳损伤和早期裂纹，充分保证船舶长传动轴系运行的安全性和可靠性。

如图1所示，本发明的跨点频响固有阻尼特征与金属结构件微观组织特征参数融合分析的金属结构件疲劳损伤预测方法，能够预测轴系等典型重要结构件疲劳损伤，包括以下实施步骤：

（一）在金属结构件疲劳损伤识别的准备阶段：

步骤一：需要深入了解被检测疲劳性能的金属结构件的实际运行工作状况，包括：工作方式、空间尺寸分布、材料性质、主要受载情况、产生疲劳损伤的过程等，可通过被检试件工作现场运行工况的调研，采用快速试敲方式（手敲或力锤激励），听取声响获取金属结构件的感性信息，查阅被检金属结构件的已有图纸和运行历史资料；

步骤二：建立被检测疲劳性能的金属结构件力学模型，分析其动力学特性参数，包括固有频率和振型，根据频率和振型初步确定被检金属结构件可能发生疲劳损伤（应力集中）的大致范围，按实际工况施加载荷进行受力分析，在模型上做谐波分析和动力学响应；

步骤三：采用试激励方式快速评估被试金属结构件的基本特性，包括重点关注区域和关注部位的大致频率分布范围，再结合建模计算分析结果，确定被试金属结构件产生疲劳损伤的重点关注位置。

步骤四：测试选定的承受交变载荷作用的被试金属结构件的固有振动特性，包括：固有频率、振动形状，振动衰减规律等，分析并提取其主要特征参数，快速粗略地描述被试金属结构件的疲劳损伤特性；

步骤五：给出金属结构件疲劳损伤出现裂纹前期的跨点频响试验方案，确定采用阻尼特征进行疲劳性能测试的各种测试参数，包括最高分析频率f_m、采样频率f_s、采样点数N、FFT点数2ⁿ、频率分辨率∆f等。

（二）在实施金属结构件的跨点频响阻尼特征参数测试阶段：

步骤一：组建便携式跨点频响阻尼特征参数测试系统，测试系统包括：（1）4通道24位云智慧数据采集仪，（2）匹配采集仪的7寸屏微型电脑，（3）装入电脑的跨点频响阻尼特征分类识别软件，（4）装ICP力传感器的宽频带力锤，（5）ICP三轴向加速度计；

步骤二：针对被测金属结构件，在所选定的疲劳损伤关注部位设置激励和响应测点，用便携式测试系统实施疲劳过程中（或在装备运行暂停时）的跨点频响特性测试；

步骤三：针对所测跨点频响的幅频特性曲线，由电脑内置软件提取跨点频响幅频曲线中主频的半功率带宽参数，计算出主频所对应的阻尼比；

步骤四：电脑内置软件包含有改善频率分辨率进而提高阻尼比测试精度的算法，保证测试获得高可靠性的主频对应阻尼比。

（三）在概略识别金属结构件疲劳损伤状态方面：

步骤一：利用跨点频响阻尼特性与金属结构件的微观组织关系密切的研究结果：当交变载荷作用疲劳开始到持续很长一段时间，构件材料的微观组织发生变化，特别是晶格位错、扭曲和滑移将产生结构的阻尼特性缓慢变化；随着疲劳损伤的增加，构件跨点频响测试的阻尼比呈上升趋势，刚开始出现疲劳时，阻尼比的变化不大，随着疲劳损伤增加阻尼比变大加快，在接近疲劳寿命终了前一阶段阻尼比快速增大，出现微裂纹前达到阻尼比的上限极值，构件出现微裂纹后阻尼比又快速下降；随着疲劳循环次数的增加，微观组织晶格变化增大使得结构的阻尼比单调增加变化，为利用固有阻尼特性识别金属结构件疲劳性能提供了依据。

步骤二：金属结构件在疲劳加载条件下可以用构件固有频率和阻尼比作为其评估疲劳性能的指标，由于金属结构件固有频率受结构参数变化的影响较多，诸如结构尺寸、连接装配关系、界面和约束条件等，而阻尼比仅与材料特性关系密切；跨点频响试验结果表明，疲劳过程的阻尼比变化曲线在构件出现疲劳断裂前与疲劳循环次数呈单调关系。

步骤三：采用跨点频响特征分析方法可以实现金属结构件在工作状态下的疲劳损伤识别，在整个疲劳寿命区间，固有频率变化范围在10%左右，阻尼比参数的变化范围可达到30%以上，甚至达到300%，用阻尼比进行疲劳过程监测，可以解决生产实际中难于在线识别和寿命预测问题；

步骤四：将无疲劳损伤的被测金属结构件（制造出来尚未进入运行状态）测得的阻尼比作为比对和疲劳分类的基准，再对现场使用的具有不同循环次数的同种材料试件测试结果进行比对和分类；

步骤五：在被测金属结构件上（同种材料）确认一无交变载荷作用的部位和区域，测试无疲劳损伤时的阻尼比作为比较和分类的基准；再对具有未知循环次数的有交变载荷作用的试件部位和区域进行测试，对比测试的阻尼比结果并进行分类；

步骤六：在疲劳试验机上做出与被测金属结构件相同材料的标定试验件，在疲劳试验机上按不同循环加载时间（次数）进行多阶梯次跨点频响试验（其测试频度可视拟合与标定精度而定），获得该种材料不同循环次数的阻尼比数值，作为定量识别时比对分类的样板，确定现场被试金属结构件的疲劳损伤程度；

步骤七：对承受不同种类交变载荷，包括拉压、弯曲、弯扭、三向作用载荷的多种工作方式下的易疲劳损伤的工程金属结构件材料，制成适应不同疲劳试验机的常用材料的标准试件，在不同种类的疲劳试验机上做疲劳试验获得不同材料不同循环次数的阻尼比数值，形成标定用数据库，为跨点频响阻尼特征定量识别现场金属结构件疲劳损伤提供依据；

步骤八：概略识别疲劳损伤状态的分成5类：①轻微疲劳：阻尼比变化率β<50%，②轻度疲劳：50%<β<80%，③中度疲劳：80%<β<120%，④重度疲劳：120%<β<150%，⑤危险疲劳：β>150%。

（四）在精准定量识别金属结构件疲劳损伤状态和分析试件剩余疲劳寿命方面：

步骤一：根据对金属结构件在疲劳试验机上进行拉压交变载荷作用过程的多阶梯次跨点频响测试获取阻尼比峰值的变化规律（从起始零疲劳到出现微裂纹的全过程的多个节点的数据），做出拟合曲线，分析不同循环次数时的剩余寿命；

步骤二：由于不同材质金属结构件的屈服极限和强度极限各不相同，检测得到的阻尼比虽然能给出相对于无疲劳损伤材料阻尼比的比值倍数，但难于确定金属结构试件精确的剩余寿命；由于涉及材料本身的性质（冲击韧性等差异），因而通常仅能给出近似的剩余寿命；这就需要给出一条疲劳应力从交变载荷开始作用一直到出现断裂前有了微裂纹整个疲劳区段的劣化曲线，尽管已有不同的具体金属结构件的劣化曲线可参考使用，但对于工程现场不同使用环境的具体金属结构件，特别是在需要精确预测剩余寿命时，就需做出具体的劣化曲线，并在其中做多阶梯次测试阻尼比数据，拟合出可供剩余寿命预测用的阻尼比变化曲线和相对于无疲劳时的比值；

步骤三：针对不同材质金属结构件建立疲劳损伤力学模型，施加不同阶次载荷仿真计算出各自的疲劳应力值，用机器学习算法构建疲劳缺陷特征与疲劳寿命的关系，用微小变化量的K-L散度分析方法预测疲劳损伤的程度，并用试验测试结果修正理论计算模型，为计算机仿真预测疲劳寿命做试验验证。

步骤四：用跨点频响固有阻尼特征识别预测的金属结构件疲劳损伤预测方法还包括：采用绝对式的疲劳损伤检测方法，测试出所关心区域疲劳应力所对应的跨点频响主频阻尼比的数值；在标定试件上标定该种金属结构材料的疲劳应力与阻尼比之间的对应关系；建立金属结构件材料微观组织特征与宏观动态特性之间的联系，为工程应用建立一套实用的理论预测模型。

本发明以工程实际中广泛且大量使用的金属结构件为应用场景，解决复杂装备中关重金属结构件在使用中出现的疲劳损伤、裂纹断裂的早期发现预警问题，运用结构动力学仿真技术和现代信号检测处理新技术，在运行和检修过程中实时获取金属结构件在运行中的振动、声压等信息，运用认知科学、信息处理和人工智能研究领域近年来的最新研究成果，将跨点频响、微弱疲劳特征提取、静动态（停机检修和在线运行）融合分析应用于复杂装备金属结构件的早期疲劳损伤、微小裂纹故障预测中；用设计开发出便携式复杂结构部件早期疲劳损伤定量识别预测装置，实现复杂装备运行现场对其关重结构件的疲劳损伤定量识别。

本发明将先进的结构动力学跨点频响理论与早期微弱疲劳损伤特征提取技术有机结合，提出一种加入跨点频响特征识别的早期疲劳损伤预测方法，定量识别研究复杂装备关重金属结构件在大扭矩、变工况变转速、冲击振动作用下疲劳损伤早期裂纹类故障的发生与发展机理，通过在多种方式研究诊断疲劳损伤与裂纹故障，运用现代信号处理新理论(计算智能)和基于跨点频响等智能算法来提取微弱疲劳损伤故障特征，并快速识别疲劳损伤出现的环节和部位等。在此基础上将冲击振动理论、疲劳损伤与疲劳断裂理论结合起来，预测发生疲劳损伤、疲劳裂纹类故障的程度和疲劳损伤发展的规律并建立基于多跨点频响固有特征分析的在线疲劳损伤快速预测理论与方法，开发出便携式检测装置，从而在线实时监控传动轴系部件的运行质量和疲劳状况，充分保证复杂装备关重部件运行的可靠性和安全性。

本发明的成果形式如下：

1、软件：金属结构件疲劳损伤的动力学特性试验建模，跨点频响特征分析疲劳损伤预测识别，零部件疲劳损伤故障诊断流程和规范，复杂关重部件疲劳损伤故障数据库。

2、硬件：便携式复杂装备关重结构件跨点频响疲劳损伤故障早期预测系统。

由于对高性能复杂装备关重部件运行时动态响应现场测试的困难和数据处理技术有效性的限制，国内外至今没有利用跨点频响试验测试手段实施关重金属结构件的疲劳损伤预测的研究，采用实时快速检测方法预测关重金属结构件运行的疲劳可靠性也未见报道。

本发明针对复杂装备关重金属结构件早期疲劳损伤故障现场检测诊断技术难题，提出一种跨点频响固有特性分析与早期微弱疲劳特征提取技术结合的快速疲劳损伤预测新技术，解决复杂装备关重金属结构件恶劣环境运行中难于对疲劳损伤准确定位和实时诊断预测的问题。

本发明提出集微弱疲劳特征提取、与结构件微观组织特性融合、疲劳损伤模式识别等功能于一体的跨点频响疲劳损伤识别法新思想，形成一套对复杂装备的重金属结构件早期疲劳损伤故障预测的新理论和新方法；首次将跨点频响固有阻尼比技术与微弱疲劳损伤故障特征提取技术结合用于复杂装备关重金属结构件早期疲劳裂纹快速预测领域；通过对典型金属结构件运行时的跨点频响特征信号分析，研究金属结构件的疲劳损伤裂纹故障特征，并最终应用于复杂装备关重金属结构件的在线疲劳寿命预测。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.基于跨点频响固有阻尼特征识别金属构件疲劳损伤的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：调研被测金属结构件运行工作状况和基本信息，确定疲劳损伤的关注位置；

步骤2：分析金属结构件的动态特性，确定跨点频响阻尼特征试验方案和测试参数；

步骤3：组建测试系统实施金属结构件疲劳过程中的跨点频响阻尼特征参数测试；

步骤4：根据金属结构件疲劳损伤微观组织与宏观特性的研究概略识别疲劳损伤状态；

步骤5：精准定量识别金属结构件疲劳损伤状态，分析计算试件剩余疲劳寿命。

2.根据权利要求1所述的基于跨点频响固有阻尼特征识别金属结构件疲劳损伤的方法，其特征在于：所述步骤1具体包括：

步骤1.1：确定被检测疲劳性能的金属结构件的实际运行工作状况，包括：工作方式、空间尺寸分布、材料性质、主要受载情况、产生疲劳损伤的过程；

步骤1.2：建立被检测疲劳性能的金属结构件力学模型，分析被检测金属结构件的动力学特性参数，包括固有频率和振型，根据固有频率和振型初步确定被检测金属结构件发生疲劳损伤的范围，按实际工况施加载荷进行受力分析，在模型上做谐波分析和动力学响应；

步骤1.3：采用试激励方式快速评估被检测金属结构件的基本特性，包括重点关注区域和关注部位的频率分布范围，再结合建立的被检测疲劳性能的金属结构件力学模型计算分析结果，确定被检测金属结构件产生疲劳损伤的重点关注位置。

3.根据权利要求2所述的基于跨点频响固有阻尼特征识别金属构件疲劳损伤的方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：

步骤2.1：测试选定的承受交变载荷作用的被检测金属结构件的固有振动特性，包括：固有频率、振动形状、振动衰减规律，分析并提取被检测金属结构件主要特征参数，快速粗略地描述被检测金属结构件的疲劳损伤特性；

步骤2.2：给出金属结构件疲劳损伤出现裂纹前期的跨点频响试验方案，确定采用阻尼特征进行疲劳性能测试的各种测试参数，包括最高分析频率f_m、采样频率f_s、采样点数N、FFT点数2ⁿ、频率分辨率∆f。

4.根据权利要求3所述的基于跨点频响固有阻尼特征识别金属构件疲劳损伤的方法，其特征在于：所述步骤3具体包括：

步骤3.1：组建便携式跨点频响阻尼特征参数测试系统，测试系统包括：4通道24位云智慧数据采集仪，匹配采集仪的7寸屏微型电脑，装入微型电脑的跨点频响阻尼特征分类识别软件，装ICP力传感器的宽频带力锤， ICP三轴向加速度计；

步骤3.2：针对被检测金属结构件，在所选定的疲劳损伤关注部位设置激励和响应测点，用便携式测试系统实施疲劳过程中或在装备运行暂停时的跨点频响特性测试；

步骤3.3：针对所测跨点频响的幅频特性曲线，由微型电脑的跨点频响阻尼特征分类识别软件提取跨点频响幅频曲线中主频的半功率带宽参数，计算出主频所对应的阻尼比。

5.根据权利要求4所述的基于跨点频响固有阻尼特征识别金属构件疲劳损伤的方法，其特征在于：所述步骤4具体包括：

步骤4.1：利用跨点频响阻尼特性与金属结构件的微观组织关系密切的研究结果，随着疲劳循环次数的增加，微观组织晶格变化使得结构的阻尼比单调增加变化，为利用固有阻尼特性识别金属结构件疲劳性能提供了依据；

步骤4.2：金属结构件在疲劳加载条件下用构件固有频率和阻尼比作为其评估疲劳性能的指标，阻尼比仅与材料特性关系密切；

步骤4.3：采用跨点频响特征分析方法实现金属结构件在工作状态下的疲劳损伤识别，在整个疲劳寿命区间，阻尼比参数的变化范围达到30%以上，用阻尼比进行疲劳过程监测；

步骤4.4：将无疲劳损伤的被检测金属结构件测得的阻尼比作为比对和疲劳分类的基准，再对现场使用的具有不同循环次数的同种材料试件测试结果进行比对和分类；

步骤4.5：在同种材料的被检测金属结构件上确认一无交变载荷作用的部位和区域，测试无疲劳损伤时的阻尼比作为比较和分类的基准；再对具有未知循环次数的有交变载荷作用的试件部位和区域进行测试，对比测试的阻尼比结果并进行分类；

步骤4.6：在疲劳试验机上做出与被检测金属结构件相同材料的标定试验件，在疲劳试验机上按不同循环加载时间或次数进行多阶梯次跨点频响试验，获得该种材料不同循环次数的阻尼比数值，作为定量识别时比对分类的样板，确定现场被试金属结构件的疲劳损伤程度；

步骤4.7：对承受不同种类交变载荷的多种工作方式下的易疲劳损伤的工程金属结构件材料，制成适应不同疲劳试验机的常用材料的标准试件，在不同种类的疲劳试验机上做疲劳试验获得不同材料不同循环次数的阻尼比数值，形成标定用数据库，为跨点频响阻尼特征定量识别现场金属结构件疲劳损伤提供依据；

步骤4.8：概略识别疲劳损伤状态的分成5类：①轻微疲劳：阻尼比变化率β<50%，②轻度疲劳：50%<β<80%，③中度疲劳：80%<β<120%，④重度疲劳：120%<β<150%，⑤危险疲劳：β>150%。

6.根据权利要求5所述的基于跨点频响固有阻尼特征识别金属构件疲劳损伤的方法，其特征在于：所述步骤5具体包括：

步骤5.1：根据对金属结构件在疲劳试验机上进行拉压交变载荷作用过程的多阶梯次跨点频响测试获取阻尼比峰值的变化规律，做出拟合曲线，分析不同循环次数时的剩余寿命；

步骤5.2：通过试验给出一条疲劳应力从交变载荷开始作用一直到出现断裂前有了微裂纹整个疲劳区段的劣化曲线，并在劣化曲线上做多阶梯次测试阻尼比数据，拟合出供剩余寿命预测用的阻尼比变化曲线和相对于无疲劳时的比值；

步骤5.3：针对不同材质金属结构件建立疲劳损伤力学模型，施加不同阶次载荷仿真计算出各自的疲劳应力值，用机器学习算法构建疲劳缺陷特征与疲劳寿命的关系，用微小变化量的K-L散度分析方法预测疲劳损伤的程度，并用试验测试结果修正理论计算模型，为计算机仿真预测疲劳寿命做试验验证。

7.根据权利要求6所述的基于跨点频响固有阻尼特征识别金属构件疲劳损伤的方法，其特征在于：还包括步骤6，采用绝对式的疲劳损伤检测方法，测试出所关心区域疲劳应力所对应的跨点频响主频阻尼比的数值；在标定试件上标定该种金属结构材料的疲劳应力与阻尼比之间的对应关系；建立金属结构件材料微观组织特征与宏观动态特性之间的联系，为工程应用建立一套实用的理论预测模型。

8.根据权利要求2所述的基于跨点频响固有阻尼特征识别金属构件疲劳损伤的方法，其特征在于：所述步骤1.1中确定被检测劳性能的金属结构件的实际运行工作状况具体采用快速试敲方式，听取声响获取金属结构件的感性信息，和/或查阅被检金属结构件的已有图纸和运行历史资料。

9.根据权利要求4所述的基于跨点频响固有阻尼特征识别金属构件疲劳损伤的方法，其特征在于：所述步骤3中微型电脑内置的跨点频响阻尼特征分类识别软件包含有改善频率分辨率进而提高阻尼比测试精度的算法。

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