[发明专利]使用基于声学特征的技术来确定结构内的裂纹扩展长度的系统和方法

说明书

公开了使用基于声学特征的技术来确定裂纹扩展长度的方法和系统。经由作用于结构上的第二位置的具有预定义幅度的谐波负荷引起的结构振动而产生的声波，在第一位置处测量和记录声学特征。结构内部包含未知长度的裂纹扩展。通过将测量和记录的声学特征与存储在数据库中的数值计算的声学特征进行比较，来确定未知长度，存储在数据库中的数值计算的声学特征包含数值计算的声学特征与数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段的对应裂纹扩展长度的至少一种关系。通过执行数值时间推进模拟，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹，并通过执行结构的SSD分析和振动声学分析，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段的数值计算的声学特征，来获得数值计算的声学特征。

技术领域

本发明总的涉及确定结构内的裂纹扩展长度，更具体地涉及使用基于声学特征的技术(例如，声频响应函数)来确定结构内的裂纹扩展长度的系统和方法。

背景技术

众所周知，结构在循环负荷下可能产生裂纹。循环负荷的来源可能来自运输过程中的正常操作或振动。一旦裂纹开始发展，裂纹可能由于许多可能的因素而扩展，包括但不限于，持续的操作负荷、环境和/或温度的组合影响等。在某些极端情况下，裂纹可以扩展得如此之多而导致结构失效。因此，监测结构中裂纹的发展和扩展至关重要，以确保保持结构完整性。

随着各种工程学科的出现，有可以协助用户(即科学家、工程师等)执行这种困难的确定的几种技术。例如，计算机辅助工程(CAE)已被用于在许多任务中支持工程师，特别是CAE(例如有限元方法、边界元方法、无网格方法等)可用于在循环负荷下的结构的时间推进模拟中获得数值模拟的结构特性(例如，裂纹扩展)。

FEA是在工业中广泛使用以模拟(即，建模和求解)涉及复杂产品或系统(例如，汽车、飞机等)的工程问题的计算机方法，例如三维线性和/或线性结构设计与分析。FEA的名称源于规定考虑中的对象的几何形状的方式。几何形状由单元和节点定义。有许多类型的单元，例如用于体积或连续体的固体元件，用于表面的壳或板单元，以及用于一维结构对象的梁或桁架单元。

然而，通常难以物理地确定或测量裂纹的长度，特别是当裂纹在结构内向内扩展时。

发明内容

公开了使用基于声学特征的技术来确定裂纹扩展长度的方法和系统。根据一个示例性的方面，确定结构内的裂纹扩展的未知长度的方法包括：经由具有预定义幅度的谐波负荷引起的结构振动而产生的声波，在第一位置处测量和记录声学特征，该具有预定义幅度的谐波负荷作用于结构上的第二位置。结构内部包含未知长度的裂纹扩展。通过将测量和记录的声学特征与存储在数据库中的数值计算的声学特征进行比较，来确定未知长度，存储在数据库中的数值计算的声学特征包含数值计算的声学特征与数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段的对应裂纹扩展长度的至少一种关系。通过执行数值时间推进模拟，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹，并通过执行结构的稳态动态(SSD)分析和振动声学分析，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段的数值计算的声学特征，来获得数值计算的声学特征。

根据另一方面，执行数值时间推进模拟以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹进一步包括以下操作：在其上安装有至少有限元分析(FEA)应用模块和边界单元法(BEM)应用模块的计算机系统中，接收表示结构和已知在结构中引起裂纹扩展的负荷条件的FEA模型；并采用FEA应用模块，通过使用基于至少一种结构裂纹预测理论的FEA模型来执行时间推进模拟，获得在负荷条件下的结构内的数值模拟的裂纹扩展轨迹。

根据又一方面，执行结构的稳态动态(SSD)分析和振动声学分析，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段的数值计算的声学特征还包括以下步骤：使用FEA应用模块的SSD分析能力，获得受到谐波负荷的结构的结构表面节点速度分布，该谐波负荷在预定义的频率具有预定义的幅度，且作用于结构表面上的声音产生位置，结构由对应于数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段中的每一个的FEA模型表示；且使用BEM应用模块，使用基于振动声学计算理论的作为振动边界条件的结构表面节点速度分布，在声音接收位置处获得结构的数值计算的声学特征。