基于双谱分析的在役16锰钢承力件焊接结构形变损伤状态表征与定量评估系统 【技术领域】
本发明涉及一种形变损伤状态的分析方法，更特别地说，是指一种采用声发射技术以及双谱分析法，对港口大型机械设备中在役16锰钢(16Mn钢)承力件焊接处结构的形变损伤状态进行表征及定量评估的系统。
背景技术
港口大型机械设备中的岸边设备：如装船机、卸船机、抓斗机等，常应用16Mn钢作为关键承力件。16Mn钢是结合我国资源情况(锰是我国富产元素)发展起来的一种低合金钢，已被广泛使用。16Mn钢承力件在服役一定的时间后，时常会发生一些失效事故，而焊接部位的损伤是造成其失效的主要原因。16Mn钢承力件中的焊接结构由于其组织，性能的不均匀性以及焊接应力，焊接缺陷的存在，成为最容易产生损伤的薄弱部位。因此岸边设备在使用一段时间后，主要承力件的16Mn钢焊接结构的损伤状态对整个岸边设备的使用寿命将造成重要影响，为此要对其形变损伤状态进行表征并作出定量评估，及时、正确地评价16Mn钢承力件的形变损伤等级，为其安全运行及寿命预测提供依据。
声发射技术(Acoustic Emission Technique)因具有动态、实时检测等优点，已广泛的应用于结构和构件的损伤检测。实践表明，不同组织材料在受载荷作用时会发生不同程度的损伤，而损伤状态的不同发出的声发射波形信号特征也将不同。例如在受静拉伸载荷作用时发生的弹塑性损伤、屈服损伤等，这些不同损伤状态的声发射波形信号幅度、相位、频率等参数都会各有区别，与此同时，具有特殊组织性能的16Mn钢焊接结构也拥有其各种形变损伤状态下的特有的声发射波形特征。因此可以利用声发射技术作为监测16Mn钢承力件焊接结构形变损伤状态的工具。
双谱分析法是信号处理领域非常有用的重要分析工具。它能有效的分析处理非高斯、非线性、非因果信号和高斯有色噪声及盲信号。它从更高概率结构表征随机信号，可弥补二阶统计量(功率谱)不含相位信息、不能提取更多有用信息的缺陷，具有高分辨率和强抗噪声能力等优点。以声发射波形信号数据为基础的双谱分析方法可获得信号的定量谱特征，因此可以将双谱分析法应用于形变损伤状态的声发射信号处理中，从而得到形变损伤状态的定量表征与评估。
随着现代工业日益向大规模、高效率发展，作为港口重要物流装备的大型岸边起重机械，具有以下几个特点：
1、目前使用中的很多大型起重机是上世纪60年代至70年代我国自行设计制造或从东欧进口，还有少数是从美、日等国进口的二手设备，按设计寿命20～25年考虑，很多设备也已进入服役后期或超期服役阶段；
2、任务重，随着生产规模的扩大，许多起重机的工作日趋繁重，超载的情况也时有发生；
3、目前的损伤检测方法在大型钢结构检测方面都存在不同程度的局限性，如超声波检测和磁粉检测等方法对起重机进行的部分抽样检测，盲目性大、易出现漏检且检测的周期长，工作量大，费用昂贵；
4、预警评估系统目前尚不完善，目前应用的分析判别技术还不能对起重机承力件焊接结构形变的损伤做出准确的预警和安全评估，尤其是我国港口大型机械设备安全事故时有发生，其中，焊接结构的形变损伤是港口大型岸边起重装备承力件主要的损伤模式之一。
因此，为确保大型岸边起重机械安全可靠的运行，须对承力件焊接结构进行检测、判断形变损伤状态，从而进行安全评估。
【发明内容】
为了减少大型岸边起重机械在使用过程中，由于形变损伤导致的16Mn钢承力件焊接结构突然失效造成的损失，本发明提出一种采用声发射技术对在役16Mn钢承力件焊接结构进行监测，得到声发射波形信号表示的形变损伤状态信息，并采用双谱分析方法对其形变损伤状态进行表征和定量评估的形变损伤状态评估系统。应用本发明的监测结果能够对16Mn钢承力件焊接结构形变损伤状态进行表征和定量的评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。
本发明的基于双谱分析的在役16锰钢承力件焊接结构形变损伤状态表征与定量评估系统，该系统由原始波形信号提取单元(1)、形变损伤状态峰频矩阵分析单元(2)、形变损伤等级评定单元(3)和预警单元(4)组成；
其中，形变损伤状态矩阵分析单元(2)由双谱估计模块(21)、双谱对角切片模块(22)和形变损伤状态峰频矩阵分析模块(23)组成；
所述的形变损伤状态峰频矩阵分析模块(23)由形变损伤状态特征峰频分析模块(23A)，形变损伤状态平均峰频分析模块(23B)和形变损伤状态峰频分布指数计算模块(23C)组成；
原始波形信号提取单元(1)对接收的多路传感信息Sn进行模数转换后输出声发射波形信息f0(T)；
双谱估计模块(21)采用双谱分析法对声发射波形信息f0(T)进行处理得到双谱估计B(ω1，ω2)，然后双谱对角切片模块(22)对双谱估计B(ω1，ω2)进行对角切片分析得到双谱对角切片信息ω(F)，最后形变损伤状态特征峰频分析模块(23A)对角切片信息ω(F)进行处理输出形变损伤状态峰频矩阵J＝[F0，F，ΔF ]给形变损伤等级评定单元(3)进行形变损伤状态评定；
预警单元(4)接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音。
本发明采用双谱分析法对16Mn钢承力件焊接结构形变损伤状态进行评估的系统优点在于：
(A)本发明能够有效监测含焊接结构的16Mn钢承力件形变损伤情况，拥有广泛的应用空间，实用性、适用性强。
(B)本发明使用双谱分析方法，将16Mn钢承力件焊接结构的形变损伤状态定量表征。这种方法较传统的频谱分析方法更为直观准确，相对于传统的参数分析又更加灵敏分辨率高，并且具有定量化的特点，便于对16Mn钢焊接结构地形变损伤状态做出正确的表征。
(C)本发明结合声发射技术与双谱分析方法，提出了16Mn钢焊接结构的形变损伤状态峰频矩阵，并通过矩阵中的特征峰频，平均峰频指数以及峰频分布指数共同对形变损伤状态进行评估，可有效监测各种形变损伤。
(D)对形变损伤状态下的16钢承力件焊接结构进行了形变损伤等级的划分和鉴定。可以简单易行地对未知形变损伤状态的16Mn钢承力件焊接结构做出形变损伤状态、形变损伤程度的评价。
(E)使用本发明可以对工况下的16Mn钢承力件焊接结构进行实时监测，出现危险情况时可及时预警，因此可以大大减少人员财产的损失，保证安全以及经济效益。
【附图说明】
图1是声发射仪与多个传感器连接的简示图。
图2是声发射仪中存储有16Mn钢焊接结构形变损伤状态定量评估系统的结构框图。
图2A是本发明形变损伤状态峰频矩阵分析单元结构框图。
图3是声发射波形信息示意图。
图4是本发明的双谱对角切片图。
图中：1.原始波形信号提取单元 2.形变损伤状态峰频矩阵分析单元
21.双谱估计模块 22.双谱对角切片模块
23.形变损伤状态峰频矩阵分析模块 23A.形变损伤状态特征峰频分析模块
23B.形变损伤状态平均峰频分析模块 23C.形变损伤状态峰频分布指数计算模块
3.形变损伤等级评定单元 4.预警单元
【具体实施方式】
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明通过在大型岸边起重机械的承力件上布置多个声发射传感器，并且多个声发射传感器的输出端分别与声发射仪连接。该声发射仪对接收到的多路传感信息应用本发明的16Mn钢焊接结构形变损伤状态定量评估系统进行处理，从而对被测对象
(大型岸边起重机械的承力件)的形变损伤状态进行表征和定量评估。参见图1所示，一个声发射仪分别与声发射传感器A、声发射传感器B、声发射传感器C、……、声发射传感器N连接，通过多个声发射传感器实现对被测对象的多路声信息的采集。
所述的声发射传感器选取PAC公司生产的R15传感器。其共振频率为150kHz。
所述的声发射仪选取PAC公司生产的全数字式声发射系统。该声发射系统包括有主机系统和DiSP系统，本发明的16Mn钢焊接结构形变损伤状态定量评估系统存储在主机系统的处理器中。该DiSP系统中的每通道具有高达2MHz的信号采样率。
参见图2、图2A所示，为了减少大型岸边起重机械在使用过程中，由于形变损伤导致的16Mn钢承力件焊接结构突然失效造成的损失，本发明采用双谱分析法对在役16Mn钢承力件焊接结构进行形变损伤状态进行表征和定量评估。本发明的16Mn钢焊接结构形变损伤状态定量评估系统包括有原始波形信号提取单元1、形变损伤状态峰频矩阵分析单元2、形变损伤等级评定单元3和预警单元4。
在本发明中，形变损伤状态表征与定量评估系统采用Matlab语言(版本7.0)开发，运行在声发射仪的处理器中。本发明采用数字化的技术手段对在役16Mn钢承力件焊接结构进行形变损伤状态的定量评估，从而实现对大型岸边起重机械危险情况的提前预警。
下面分别对本发明形变损伤状态表征与定量评估系统中的各个单元采用的技术手段、实现的功能进行详细说明：
(一)原始波形信号提取单元1
在本发明中，原始波形信号提取单元1第一方面用于接收多个声发射换能器(也称传感器)分别输出的形变损伤状态的传感信息Sn，第二方面对接收到的多路传感信息Sn进行模数转换后，提取出每种损伤状态下的声发射信号幅值或者声发射能量的声发射波形信息f0(T)，第三方面将声发射波形信息f0(T)输出给形变损伤状态峰频矩阵分析单元2。
所述的声发射波形信息f0(T)中包含有声发射信号波形中幅值、频率、相位等诸多信息，声发射波形信息的具体形式如图3所示。图中所示为每0.0000005秒记录一个传感器输出的电压数据点，然后绘成这个波形图。对于多路传感器接到的声音振动转化为电压信号，不能定量的看出不同的振动声源有什么区别，因此本发明采用双谱分析法来对信号源进行量化表征。
在原始波形信号提取单元1对多路传感信息Sn进行提取获得每种形变损伤状态下声发射波形信息f0(T)所依据的关系为A∈(Amin+Amax2,Amax)∪E∈(Emin+Emax2,Emax),]]>式中，A表示传感信息Sn的声发射幅值参数，Amin表示传感信息Sn的声发射幅值参数中的最小值，Amax表示传感信息Sn的声发射幅值参数中的最大值，E表示传感信息Sn的声发射能量参数，Emin表示传感信息Sn的声发射能量参数中的最小值，Emax表示传感信息Sn的声发射能量参数中的最大值。
(二)形变损伤状态峰频矩阵分析单元2
在本发明中，形变损伤状态峰频矩阵分析单元2由双谱估计模块21、双谱对角切片模块22和形变损伤状态峰频矩阵分析模块23组成；
其中形变损伤状态峰频矩阵分析模块23由形变损伤状态特征峰频分析模块23A，形变损伤状态平均峰频分析模块23B和形变损伤状态峰频分布指数计算模块23C组成。
双谱估计模块21采用双谱分析法对接收到的声发射波形信息f0(T)进行处理得到双谱估计B(ω1，ω2)；双谱估计B(ω1，ω2)是二维函数，具有对称性质，可采用双谱的某种一维分量(双谱切片)来分析信号的某些特性。双谱估计B(ω1，ω2)中ω1表示双谱切片上X轴上的频率，ω2表示双谱切片上Y轴上的频率。
双谱对角切片模块22对接收到的双谱估计B(ω1，ω2)进行对角切片分析得到双谱对角切片信息ω(F)；该双谱对角切片信息ω(F)采用坐标表示为如图4所示，坐标纵轴是归一化双谱值ω，横轴是频率F，单位(kHz)。从图4中可以看出数学化的双谱变换转化为频域，能够定量分析出不同位置传感器采集到的声发射振动源的区别。
形变损伤状态峰频矩阵分析模块23接收到对角切片信息ω(F)，并分别将其传给该模块中的形变损伤状态特征峰频分析模块23A，形变损伤状态平均峰频指数分析模块23B和形变损伤状态峰频分布指数计算模块23C。
形变损伤状态特征峰频分析模块23A接受到对角切片信息ω(F)后，并根据ω(F)分析出形变损伤状态特征峰频F0，方法如下：取ω(F)中第一个归一化双谱值＝1的峰值频率作为形变损伤状态特征峰频F0的取值，单位kHz。
形变损伤状态平均峰频计算模块23B接受到对角切片信息ω(F)后，并根据ω(F)计算出形变损伤状态平均峰频指数F，计算方法如下：取所有峰值频率中归一化双谱值最大的前三个峰值频率，分别计为F1，F2，F3，则形变损伤状态平均峰频指数F‾=13Σk=13Fk100kHz,]]>无量纲。
形变损伤状态峰频分布指数计算模块23C接受到对角切片信息ω(F)后，并根据ω(F)计算出形变损伤状态峰频分布指数ΔF，计算方法如下：取所有峰值频率中归一化双谱值最大的前三个峰值频率，分别计为F1，F2，F3，则形变损伤状态峰频分布指数ΔF=max(F1,F2,F3)-min(F1,F2,F3)100kHz,]]>无量纲。
由形变损伤状态特征峰频F0、形变损伤状态平均峰频指数F和形变损伤状态峰频分布指数ΔF共同构成了反映16Mn钢承力件焊接结构形变损伤状态的形变损伤状态峰频矩阵J＝[F0，F，ΔF ]，然后将形变损伤状态峰频矩阵J＝[F0，F，ΔF ]传递给形变损伤等级评定单元3。
(三)形变损伤等级评定单元3
在本发明中，形变损伤等级评定单元3根据接收到的形变损伤状态峰频矩阵J＝[F0，F，ΔF ]，并对其做出评定：根据承力件焊接处结构形变损伤状态的危害程度大小不同将形变损伤状态分为数个等级，当形变损伤状态矩阵J＝[F0，F，ΔF]中F0＝fi、F＝Fi和ΔF＝ΔFi时，则评定为形变损伤等级C(J)＝i。
其中，C(J)为形变损伤等级信息，i为形变损伤等级，即该形变损伤状态的形变损伤等级为第i级；
Fi是第i级形变损伤的特定形变损伤状态特征峰频，即形变损伤等级C(J)＝i时，有F0＝Fi；
Fi是第i级形变损伤的特定形变损伤状态平均峰频指数，即形变损伤等级C(J)＝i时，有F＝Fi；
ΔFi是第i级形变损伤的特定形变损伤状态峰频分布指数，即形变损伤等级C(J)＝i时，有ΔF＝ΔFi。
当形变损伤状态峰频矩阵J＝[F0，F，ΔF ]不满足上述等级评定条件F0＝Fi、F＝Fi和ΔF＝ΔFi时，做为野值剔除。
该形变损伤等级信息C(J)作为预警信息来启动预警单元4进行预警。
16Mn钢承力件焊接结构各种载荷下不同形变损伤状态的形变损伤等级划分标准示例可参见表1所示，该表1中的所有信息存储在声发射仪的处理器中。
表1形变损伤等级划分标准示例
第i级形变损伤状态 特征峰频Fi(kHz) 670±10 105±10 670±10 野值剔除 第i级形变损伤状态 平均峰频指数Fi 2.9～3.9 1～1.2 5～7 野值剔除 第i级形变损伤状态 峰频分布指数ΔFi(kHz) 4～6 1.3～1.5 0.6～1.4 野值剔除 形变损伤状态 弹塑性损伤 屈服损伤 硬化损伤 —— 形变损伤等级i 1 2 3 ——
(四)预警单元4
该预警单元4采用如喇叭、扩音器等形式的提示音报警输出。
在本发明中，预警单元4接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音。该提示音可以是如喇叭、扩音器等发出的如音乐声。
实施例1：对40吨轨道式起重机的承力件焊接结构进行声发射检测。
承力件：悬臂有效伸度：5000mm，检测长度3000mm。
承力件所用的16Mn钢成分如表2：
表216Mn钢成分含量
成分 C Mn Si P S Ca 质量百分比含量(％) 0.16 1.42 0.31 0.022 0.033 0.10
检测用设备有：(A)6个R15型声发射传感器，响应频率100～400kHz，中心频率150kHz。
(B)声发射仪为美国PAC公司全数字式16通道DiSP声发射系统。声发射仪检测时的门槛值30dB，声发射峰值定义时间PDT为300μs，声发射撞击限定时间HDT为600μs，声发射撞击闭锁时间HLT为1000μs。
在16Mn钢承力件焊接结构承受拉伸静载荷过程中，首先对声发射波形信息进行收集，并通过本发明对形变损伤状态作出评价。随机抽取的部分16Mn钢承力件焊接结构形变损伤状态定量评估结果见表3。
表3部分16Mn钢承力件焊接结构形变损伤状态定量评估结果
声发射波形信息 形变损伤状态峰频矩阵 J＝[F0，F，ΔF] 形变损伤状态 形变损伤等级 C(J) f0(T) J1＝[670，3.57，5.50] 焊接结构 弹塑性损伤 1 f0(T) J＝[669，3.22，5.44] 焊接结构 弹塑性损伤 1 f0(T) J＝[669，3.87，4.42] 焊接结构 弹塑性损伤 1 f0(T) J＝[104，1.13，1.35] 焊接结构 屈服损伤 2
从表3的评估结果可以看出所选声发射波形信息的形变损伤状态矩阵中，形变损伤状态特征峰频为670kHz左右，形变损伤状态平均峰频指数在2.9～3.9之间，形变损伤状态峰频分布指数在4～5之间，因此均属于焊接结构弹塑性损伤状态，形变损伤等级为1。说明该承力件焊接结构还在安全范围内使用，形变损伤程度小，危险性低，无需报警。
本发明建立了基于双谱分析对16Mn钢承力件焊接结构进行形变损伤状态定量评估的系统，通过声发射技术对在役16Mn钢承力件焊接结构进行监测，得到声发射信号表示的形变损伤状态信息，并采用双谱分析方法对其形变损伤状态进行定量评估，并评定形变损伤等级。应用本发明能够对16Mn钢承力件焊接结构形变损伤状态进行直观、定量、实时的评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。