[发明专利]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

说明书

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；