[发明专利]基于WPT策略和DF策略的在役AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态表征与定量评估系统

说明书

技术领域

本发明涉及多种疲劳损伤状态的定量评估，更特别地说，是指一种采用WPT策略（即小波包分析法）和DF策略（即双谱分析法）对航空汽车交通中的在役AZ31镁合金进行疲劳损伤状态定量评估的系统。 

背景技术

在航空汽车交通中，在降低产品自重以降低能源消耗和减少污染上占有优势的镁合金的应用越来越广。工程构件在使用一段时间后，作为潜在结构件的AZ31镁合金的疲劳损伤状态对航空汽车交通中产品的使用寿命将造成重要影响。 

AZ31镁合金是典型的密排六方结构材料。由于其具有较高的比强度、比弹性模量、阻尼减震性、导热性、静电屏蔽性、机械加工性和极低的密度，且易于回收，被誉为“21世纪绿色工程材料”，在航空、航天、汽车、计算机、通讯和家电等领域具有广阔的应用前景。目前，镁合金作为一种新型结构材料,其抗疲劳和耐久性极其重要，镁及镁合金材料的研究已成为材料界学者研究的热点。镁合金在服役一定的时间后，时常会发生一些失效事故，而损伤是造成其失效的主要原因，为此要对其损伤状态作出定量评估，及时、正确地评价AZ31镁合金结构件的损伤等级，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，不同的疲劳载荷下，其裂纹扩展速率是不同的，这导致裂纹扩展中其裂纹尖端的应力是不同的，这就产生了不同疲劳损伤状态，而在不同疲劳载荷会导致声发射信号在频率，波形上等的变化。因此有必要利用声发射技术作为监测AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态的工具。 

小波包分析是一种较精细的信号分析方法，它适合对正弦信号进行数据压缩和一维去噪处理，小波包分析可以克服FFT在对非平稳信号在时-频域内分析的限制。小波包WPT的多分辨分析将信号分解为较高的频率分辨率及较低的时间分辨率的低频部分和较高的时间分辨率及较低的频率分辨的高频部分。具有精确细分的特点和较强的时频局部化能力，能很好满足信号特征提取的要求。 

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小波包分析和双谱分析方法可获得信号的定量特征，因此可以将WPT策略和DF策略相结合应用于疲劳损伤状态的声发射信号处理中，从而得到疲劳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，作为航空汽车交通中的潜在结构件具有以下几个特点： 

1、汽车所用燃料的60%是消耗于汽车自重，汽车自重每减轻10%，其燃油效率可提高5%以上；汽车自重每降低100kg，每百公里油耗可减少0.7L左右，每节约1L燃料可减少CO2排放2.5g，年排放量减少30%以上。所以减轻汽车重量对环境和能源的影响非常大，但是镁合金的塑性变形能力差、易开裂，严重影响了工业化生产，这种现象在实际工程应用中可能会造成灾难性后果，是不容忽视的； 

2、由于绝大部分航空汽车交通中结构件服役时承受交变载荷，因此失效形式大部分为疲劳失效。据统计，由机械故障引起的事故中，80%以上与材料的疲劳损伤有关； 

3、目前的损伤检测方法在结构件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结构件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结构件的疲劳损伤做出准确的预警和安全评估，尤其是我国在航空汽车交通中安全事故时有发生，其中，高周疲劳和低周疲劳所引起的疲劳损伤是航空汽车交通产品结构件主要的损伤状态之一。 

因此，为确保航空汽车交通产品结构件安全可靠的运行，须对承力件进行检测、判断疲劳损伤状态，从而进行安全评估。 

发明内容

为了减少航空汽车交通中结构件在使用过程中，由于疲劳载荷的不同会有不同的疲劳损伤状态，对AZ31镁合金结构件所受的载荷状态的评估对其疲劳失效的预警是很重要的，本发明提出一种采用WPT策略和DF策略对在役AZ31镁合金结构件进行监测，得到声发射波形信号表示的疲劳损伤状态信息，并采用WPT策略和DF策略对其疲劳损伤状态进行定量评估。应用本发明的监测结果能够对AZ31镁合金结构件疲劳损伤状态进行定量的评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。