服役構(gòu)件疲勞損傷的聲發(fā)射信號(hào)特征提取

冷建成 王玉潔 錢(qián)萬(wàn)東 劉 曄

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院）

管道、壓力容器等化工設(shè)備在工業(yè)、民用及軍工等許多領(lǐng)域都有著重要的地位和作用，尤其在石油、 化工行業(yè)應(yīng)用極為廣泛。 TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定，壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)必須標(biāo)明設(shè)計(jì)使用年限或循環(huán)次數(shù)，即一般情況下，到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限的壓力容器應(yīng)當(dāng)報(bào)廢；然而為了規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，有些設(shè)備設(shè)計(jì)使用年限往往較短，因此，設(shè)備達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限并不意味著沒(méi)有繼續(xù)使用的可能性。

再制造工程就是一種通過(guò)修復(fù)或改造報(bào)廢產(chǎn)品而延長(zhǎng)其剩余使用壽命的新興產(chǎn)業(yè)，而無(wú)損檢測(cè)和壽命預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)再制造毛坯的可再制造性評(píng)價(jià)和再制造產(chǎn)品是否符合生產(chǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)起到了關(guān)鍵性作用。 由于聲發(fā)射檢測(cè)可以實(shí)時(shí)跟蹤再制造構(gòu)件在疲勞損傷過(guò)程中的變化趨勢(shì)，因此相比其他離線檢測(cè)方法更加適用于剩余壽命的預(yù)測(cè)。Miura S等在研究鋁合金的聲發(fā)射疲勞試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)累積計(jì)數(shù)值可以將整個(gè)疲勞過(guò)程分為類(lèi)似于疲勞循環(huán)的3個(gè)階段［1］；柴孟瑜等通過(guò)研究Q345R鋼在疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)值和累積能量值的變化，建立了聲發(fā)射計(jì)數(shù)率和能量率與疲勞裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系［2］。 Yu J等研究了聲發(fā)射累積絕對(duì)能量、累積計(jì)數(shù)和疲勞裂紋擴(kuò)展尺寸與載荷循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系［3］；Miguel J M等利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)不同變形程度的試樣進(jìn)行研究，通過(guò)聲發(fā)射計(jì)數(shù)率的變化規(guī)律建立了聲發(fā)射事件的數(shù)量和振幅與裂紋類(lèi)型之間的關(guān)系［4］。 Megid W A等則通過(guò)實(shí)例研究并證實(shí)了利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)鋼橋吊環(huán)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的有效性［5］。 為進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)金屬疲勞過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)特征，黃振峰等引入混沌特征中的K熵和關(guān)聯(lián)維數(shù)來(lái)探索聲發(fā)射信號(hào)與疲勞損傷程度之間的關(guān)系［6］。在再制造無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，Shi Y等構(gòu)建了以聲發(fā)射能量、計(jì)數(shù)參數(shù)動(dòng)態(tài)表征曲軸疲勞裂紋擴(kuò)展深度與機(jī)器視覺(jué)表征疲勞裂紋表面長(zhǎng)度的雙參量曲軸剩余壽命預(yù)測(cè)模型［7，8］。

可見(jiàn)，聲發(fā)射在再制造檢測(cè)方面的應(yīng)用相對(duì)較少，同時(shí)由于聲發(fā)射信號(hào)容易受到外部噪聲的干擾，筆者的目的就是在聲發(fā)射基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于小波包能量譜和小波熵的聲發(fā)射特征參數(shù)提取方法，進(jìn)而表征不同疲勞階段的損傷累積程度， 為后續(xù)的壽命評(píng)估提供參數(shù)依據(jù)。

1 疲勞試驗(yàn)

1.1 試件

試件材料為Q235B碳素鋼， 其屈服強(qiáng)度為235MPa，抗拉強(qiáng)度為375～460MPa，因其塑性、強(qiáng)度及焊接等性能得到較好配合且成本相對(duì)低廉而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工程領(lǐng)域。 試驗(yàn)采用中間帶有預(yù)制V形缺口的試件， 以便于合理布置聲發(fā)射傳感器跟蹤監(jiān)測(cè)疲勞裂紋發(fā)展過(guò)程，試件具體尺寸如圖1所示。

圖1 V形缺口板狀試件的形狀和尺寸

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要包括加載設(shè)備和聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 其中加載設(shè)備采用QBG-300微機(jī)控制高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)為微機(jī)控制，最大靜負(fù)荷為±300kN，動(dòng)負(fù)荷為180kN，循環(huán)次數(shù)值精確到0.1千次，其工作原理是基于電磁諧振，由試件連同夾具與試驗(yàn)機(jī)組成的系統(tǒng)在電磁鐵激勵(lì)下產(chǎn)生共振，以此來(lái)對(duì)試件施加循環(huán)載荷。

聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、前置放大器、采集器和信號(hào)記錄與分析軟件組成，如圖2所示， 其中傳感器選用WSα型寬頻帶傳感器，其頻率范圍為100～1 000kHz， 諧振頻率為125kHz；前置放大器選用40dB的增益型放大器；采集器為PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)， 配套采用AEwin采集分析軟件。

圖2 聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

1.3 試驗(yàn)方法

首先將試件夾持在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上、下夾具之間，然后在聲發(fā)射傳感器陶瓷面上涂上耦合劑真空脂與試件進(jìn)行耦合， 在預(yù)制V形缺口兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置2個(gè)傳感器（圖1），并用膠帶固定，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3所示。

圖3 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)照片

為減少試驗(yàn)過(guò)程中的背景噪聲干擾，前置放大器增益設(shè)置為40dB， 聲發(fā)射門(mén)檻值設(shè)置為40dB，采樣頻率設(shè)置為1MHz。 基于GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》，在疲勞試驗(yàn)機(jī)控制程序中， 分別輸入靜載荷12.6kN和動(dòng)載荷5.4kN，同時(shí)同步開(kāi)啟聲發(fā)射監(jiān)測(cè)設(shè)備， 自動(dòng)記錄2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在整個(gè)疲勞循環(huán)過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)變化，直至試件斷裂。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

分別對(duì)1#～4#試件進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明聲發(fā)射信號(hào)具有相似的變化規(guī)律， 為此僅以3#試件為例進(jìn)行分析。

2.1 不同循環(huán)次數(shù)下的聲發(fā)射信號(hào)

常用的聲發(fā)射參數(shù)有幅值、能量、計(jì)數(shù)、上升時(shí)間及持續(xù)時(shí)間等， 圖4給出了聲發(fā)射信號(hào)在疲勞循環(huán)初始階段的幅值變化曲線。

圖4 初始階段的聲發(fā)射信號(hào)幅值

由圖4可見(jiàn)， 幅值分布相對(duì)均勻， 且相對(duì)較小，基本都穩(wěn)定在50dB左右；這個(gè)階段的聲發(fā)射波形呈良好的周期性， 電壓幅值較小， 穩(wěn)定于10mV左右，如圖5所示。

圖5 初始階段的聲發(fā)射信號(hào)波形

隨后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的疲勞循環(huán)，在中間階段聲發(fā)射信號(hào)幅值呈現(xiàn)出一定程度的不穩(wěn)定跳動(dòng)，跳動(dòng)幅度一般在55～65dB之間，如圖6所示。

圖6 中間階段的聲發(fā)射信號(hào)幅值

由圖6可知，該階段出現(xiàn)突發(fā)型聲發(fā)射事件，聲發(fā)射信號(hào)向高頻區(qū)轉(zhuǎn)移，而波形信號(hào)開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，如圖7所示。

圖7 中間階段的聲發(fā)射信號(hào)波形

由圖7不難發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于循環(huán)初始階段，中間階段的聲發(fā)射波形電壓幅值明顯增大，最大電壓達(dá)到80mV。 通過(guò)微觀機(jī)理分析，這主要是由于試樣內(nèi)部缺陷的增值與位錯(cuò)滑移過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大程度的應(yīng)力波，隨之被聲發(fā)射探頭所采集，因而引起聲發(fā)射信號(hào)的改變［1］。

隨著疲勞循環(huán)周次的增加，裂紋由穩(wěn)定擴(kuò)展逐步發(fā)展為失穩(wěn)擴(kuò)展，隨后試件迅速斷裂，此時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)幅值會(huì)達(dá)到峰值，如圖8所示。

圖8 后期階段的聲發(fā)射信號(hào)幅值

相對(duì)應(yīng)的，聲發(fā)射波形多以高衰減特性的突發(fā)型信號(hào)為主，如圖9所示，這主要是由于試件裂紋大面積開(kāi)裂瞬間釋放大量的能量，進(jìn)而形成強(qiáng)度較大的聲發(fā)射信號(hào)， 該信號(hào)突變幅值高達(dá)300mV， 但信號(hào)衰減較快， 衰減時(shí)間僅為300～400μs。

圖9 后期階段的聲發(fā)射信號(hào)波形

在實(shí)際測(cè)試時(shí)， 由于現(xiàn)場(chǎng)有很多噪聲干擾，單純利用幅值、波形等聲發(fā)射信號(hào)基本特征很難準(zhǔn)確反映疲勞損傷的發(fā)展過(guò)程，為此提出基于小波包能量譜和小波熵的損傷特征提取方法。

2.2 小波包能量譜分析

小波變換只對(duì)信號(hào)的低頻部分做進(jìn)一步分解， 而小波包變換既可以對(duì)低頻部分進(jìn)行分解，也可以對(duì)高頻部分進(jìn)行分解，而且這種分解既無(wú)冗余也無(wú)疏漏，所以對(duì)包含大量中、高頻信息的信號(hào)能夠進(jìn)行更好的時(shí)頻局部化分析。 由于需要對(duì)高頻能量進(jìn)行詳細(xì)分析，因此筆者選用小波包變換對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理。

其中，g（k）=（-1）kh（1-k），即2個(gè)系數(shù)也具有正交關(guān)系。在多分辨分析中，退化尺度函數(shù)φ（t）和小波基函數(shù)ψ（t）滿(mǎn)足如下雙尺度方程：

由于φ（t）由hk唯一確定，因此又稱(chēng){Un（t）}n∈Z為關(guān)于序列{hk}的正交小波包。

若設(shè){Un（t）}n∈Z是φ（t）的正交小波包，則有（Un（t-k），Un（t-l））=δu，即{Un（t）}n∈Z構(gòu)成L2（R）的規(guī)范正交基。

小波包分解的層數(shù)與信號(hào)的分析精度關(guān)系緊密，若分解的層數(shù)越少，則分析速度越快，但同時(shí)頻帶分辨率就相應(yīng)減?。?若分解的層數(shù)越多，則頻帶分辨率也越高。 設(shè)采樣頻率為p，則經(jīng)過(guò)n層小波包分解得到的頻帶的分辨率為p/2n。 以3層小波包分解為例，其分解樹(shù)如圖10所示。

圖10 3層小波包分解樹(shù)

利用dB4小波包分解對(duì)疲勞試驗(yàn)過(guò)程中初始階段、中間階段和后期階段的聲發(fā)射波形信號(hào)分別進(jìn)行3層小波分解與重構(gòu)， 其中第3層8個(gè)節(jié)點(diǎn)（0～7）的 頻 率 范 圍 分 別 為0～8Hz、8～16Hz、16～24Hz、24～32Hz、32～40Hz、40～48Hz、48～56Hz 和56～64Hz。

在循環(huán)初始階段，聲發(fā)射波形頻率主要集中在40Hz以下，高頻能量占比較小，是典型的低頻連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)，如圖11所示。

圖11 初始階段小波分解頻率分布

試件進(jìn)入疲勞中間階段時(shí)，小波分解結(jié)果如圖12所示。

圖12 中間階段小波分解頻率分布

由圖12不難發(fā)現(xiàn)，各個(gè)頻率段的能量占比分布均勻，但電壓值極不穩(wěn)定，與之前聲發(fā)射幅值的變化趨勢(shì)相似， 每個(gè)頻率段信號(hào)都有較大波動(dòng)。

試件在疲勞后期階段，信號(hào)逐漸向高頻段轉(zhuǎn)移，高頻信號(hào)能量占比增大，且電壓信號(hào)逐漸衰減，如圖13所示。

圖13 后期階段小波分解頻率分布

為了更加直觀地反映聲發(fā)射信號(hào)隨著疲勞循環(huán)的變化趨勢(shì)，將疲勞壽命均勻劃分為10個(gè)階段，對(duì)每個(gè)階段分別進(jìn)行小波分解與重構(gòu)，最后計(jì)算得到各階段的高頻能量占比，即設(shè)各階段總能量為E， 頻率在56～64Hz范圍內(nèi)的能量為Eh，則高頻能量占比t=Eh/E， 畫(huà)出各階段的高頻能量占比如圖14所示。

圖14 不同壽命階段的高頻能量占比

由圖14可知，試件在疲勞初始階段，即對(duì)應(yīng)著裂紋萌生階段，聲發(fā)射信號(hào)的能量主要分布在低頻段范圍內(nèi)，所以高頻能量占比較低，大約在5%左右；隨著循環(huán)的進(jìn)行，裂紋進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展，聲發(fā)射信號(hào)能量開(kāi)始向中間頻段轉(zhuǎn)移，所以高頻能量占比逐漸增大；到疲勞后期時(shí)，裂紋進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展， 聲發(fā)射信號(hào)能量越來(lái)越多地轉(zhuǎn)移到高頻段， 高頻能量占比上升到28%， 最后試件突然斷裂，高頻能量占比急速下降。

2.3 小波熵特征提取

小波熵由小波變換和信息熵構(gòu)成，首先通過(guò)小波變換進(jìn)行多尺度多分辨率分析，將所得的各尺度小波系數(shù)處理成概率分布序列；然后由這個(gè)序列計(jì)算得到熵值，即表征這個(gè)系數(shù)矩陣的稀疏程度， 它反映了整個(gè)信號(hào)的不確定性和復(fù)雜程度。

定義某一尺度下小波分量的能量為該尺度下小波系數(shù)的平方和：

其中，E1，E2，…，En為不同小波尺度的能量，按小波函數(shù)的尺度自然劃分。

由正交小波變換的特性可知，各尺度分量的能量之和就是信號(hào)總能量：

將各尺度分量的能量歸一化處理，得到原始信號(hào)能量在不同小波尺度下的分布為：

由此定義小波熵為：

利用dB4小波對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行3層小波包分解，得到8個(gè)頻帶的信號(hào)序列；然后對(duì)重構(gòu)后不同壽命區(qū)間的信號(hào)進(jìn)行信息熵計(jì)算，得到聲發(fā)射信號(hào)的小波熵變化趨勢(shì)，如圖15所示。

由圖15可以看出，裂紋萌生階段試件狀態(tài)比較穩(wěn)定，信號(hào)波動(dòng)較小，因此小波熵比較小且比較穩(wěn)定；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，在裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，試件內(nèi)部的能量愈發(fā)不穩(wěn)定，小波熵逐漸增大；到了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段，試件迅速斷裂，信號(hào)波動(dòng)由劇烈歸于平靜，因此小波熵迅速下降。

圖15 不同壽命階段的小波熵

3 分析與討論

通過(guò)對(duì)聲發(fā)射幅值、波形、高頻能量占比和小波熵的分析對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)：在疲勞循環(huán)的不同階段，各特征參數(shù)表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，整體變化趨勢(shì)見(jiàn)表1。

由表1可以看出，在初始疲勞階段，聲發(fā)射信號(hào)幅值較低，穩(wěn)定在50dB左右；波形信號(hào)比較有規(guī)律，電壓值最大只有10mV；高頻能量占比只有5%左右， 穩(wěn)定在較低水平； 小波熵大致在0.15～0.20之間，穩(wěn)定在較小范圍內(nèi)。 在循環(huán)中期，聲發(fā)射信號(hào)幅值增大，且一直在55～65dB范圍內(nèi)波動(dòng)；波形多次出現(xiàn)不同程度的突變，對(duì)應(yīng)的電壓值明顯增大，最高達(dá)到80mV；部分聲發(fā)射信號(hào)向較高頻段轉(zhuǎn)移，各個(gè)頻段分布均勻，高頻能量占比逐漸上升到15%；小波熵增加較快。到了疲勞后期階段，聲發(fā)射信號(hào)幅值增大且均超過(guò)60dB，甚至很多在65dB以上；電壓值突增至300mV；同時(shí)，越來(lái)越多的聲發(fā)射信號(hào)向高頻段轉(zhuǎn)移，高頻能量占比最終上升到28%；小波熵也迅速上升到0.35，至斷裂時(shí)急劇下降。

表1 各階段的聲發(fā)射信號(hào)特征

基于疲勞損傷演化機(jī)理，可將試件的整個(gè)壽命劃分為裂紋萌生、裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展、裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展及斷裂等幾個(gè)階段，而所提取的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)，尤其是高頻能量占比和小波熵可以很好地反映疲勞損傷的累積發(fā)展過(guò)程，為后續(xù)建立聲發(fā)射信號(hào)特征與壽命之間的映射關(guān)系提供參數(shù)依據(jù)。

4 結(jié)論

4.1 對(duì)Q235B鋼試件進(jìn)行了拉-拉疲勞過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明聲發(fā)射信號(hào)的幅值和波形電壓在疲勞循環(huán)初始、中間和后期階段的變化呈現(xiàn)出與裂紋萌生、裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展相對(duì)應(yīng)的3個(gè)階段。

4.2 通過(guò)對(duì)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波包能量譜分析和小波分解與重構(gòu)，分別得到各壽命階段的聲發(fā)射信號(hào)高頻能量占比和小波熵，結(jié)果表明試件在裂紋萌生階段的高頻能量占比為5%左右，信號(hào)波動(dòng)較小，而小波熵比較小且相對(duì)穩(wěn)定；在裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，聲發(fā)射信號(hào)高頻能量占比逐漸上升至15%，試件內(nèi)部的能量愈發(fā)不穩(wěn)定，而小波熵逐漸增大；在裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段，聲發(fā)射信號(hào)高頻能量占比上升速率變大，信號(hào)波動(dòng)幅度逐漸減小，而小波熵迅速下降。

4.3 所提取的聲發(fā)射信號(hào)高頻能量占比和小波熵隨著壽命的變化呈現(xiàn)出明顯的3個(gè)階段， 反映了不同疲勞階段的損傷累積程度，可作為后續(xù)預(yù)測(cè)剩余壽命的特征參數(shù)。