土木工程损伤检测技术（精选7篇）
土木工程损伤检测技术 第1篇
关键词：土木工程,损伤检测,技术
由于土木结构的自身属性, 长时间的日晒雨淋容易使材料老化, 使用过度导致的质量下降等情况屡见不鲜, 结构稳定性下降, 通过土木工程损伤检测技术可以对一些工程损伤的具体位置和程度进行检测, 预防结构损伤的恶化, 确保结构优良, 科学的进步, 为损伤检测技术的发展提供了支持, 从传统的检测方法开始转向科学技术、仪器导向的精确检测方法。现代检测测技术与土木工程损伤检测的结合, 使得现在的土木工程损伤检测更高效和准确。
1 检测技术的分类
就目前的检测技术上看, 大致分为两类, 第一, 静态检测方法, 以 (射线检测法、雷达检测法、声发射检测法、红外检测法、超声波检测法) 为主;第二, 基于结构振动损伤识别上发展起来的动态检测方法。
2 结构损伤诊断的方法及应用
2.1 传统的检测方法
传统的检测方法包括无损检测和外观检查, 其中无损检测又包括:声发射检测、X-射线检测、超声波检测、抽样调查等;主要运用于检测材料的特性和局部的缺陷上。
进行传统检测时, 往往需要检测者事先对可以接触到的损伤大致部位进行了解, 才能进行检测, 这样一来就导致检测具有主观性、局限性, 不能将整个工程的损伤情况进行全面的概括。
2.2 静态检测方法
2.2.1 声发射检测法
声发射法于1964年首次运用于工程的结构诊断上, 其具体原理是:当物体受到外力和内力的共同作用时, 容易发生形变和断裂, 此时内应力减小, 存储在其间的能量会形成应力波被释放到环境中来。一旦材质或结构的内部出现一定的损伤 (裂纹、位错等内部微小变化时) , 应力波便会被释放出来;据此原理, 一旦捕获到释放出来的信号, 对其发射源进行分析, 便可推断发生损伤的部位和程度。但由于这一信号具有复杂性, 和干扰性使得该法的发展缓慢。
2.2.2 超声波法
超声波结构损伤检测技术的应用较为广泛, 是一种无损检测方法, 是依据超声波在介质中的传播规律和性质, 超声波声学量 (超声声数、传播时间、衰减、频谱) 结合物体的几何形态以及力学之间的关联, 通过对测得超声波的波形特点进行分析, 可以对材料结构的内部缺陷大小和方位进行判断。
由于波在传播过程中容易受到外界干扰, 所以该法局限于对形状单一的结构项目进行检测。
2.2.3 雷达波法
是指, 运用发射天线将 (10MHz~2000MHz) 的高频电磁泼导入材料内部, 以波得形式反射回到物体的表面, 由接收天线接收, 根据电磁波得特性, 在不同的介质中路径、电性形态、性质会发现相应的改变, 从接收反射回的波的幅度、相位等信息等对介质的内部结构损伤情况进行确定和定位, 多用于检测较隐蔽的工程。
2.2.4 红外检测
红外检测是根据由原子、分子震动产生的红外辐射, 热辐射定律以及热传导的微分方程为理论基础进行的检测方法, 任何高于绝对零度的自然界物体均可以产生红外辐射, 强度与物体内部的温度有关, 当内部发生物质变化时则辐射强度改变, 由此判断内部损伤。
但其辐射强度和并不能直接反应材料的内部结构和状况等, 因此不被广泛使用。
2.2.5 射线法
利用X射线、r射线、中子射线穿透物体进入物体内部, 而且在贯穿的过程中, 不断的散射和衰减, 并投射在感光材料上形成投射片子, 材料中的缺陷和改变能引起材料对射线的吸收强度, 由此可以判断材料的内部缺陷部位。
该法需要的设备沉重、在检测过程会给工程带来新的损害, 而且工作效率并不是很高, 对于非破损检测使用不理想。
2.3 动态检测方法
在结构振动的损伤识别方法基础之上, 运用结构对振动的响应、系统的动态特性参数进行的检测。由于结构物理特性函数是以模态参数来建立的, 以结构物理特性的变化会导致结构对振动的响应的位置相应的变化, 是对结构整体进行的检测方法, 与述的静态检测相比, 其可以检测大体型的相对复杂的结构, 多运用在航空、精密机械结构等上。除此之外, 在大型建筑的土木结构上, 能运用环境激励下的结构振动来进行检测, 使得检测具有实时性, 但其研究还处于实践阶段。
进入实际应用时还存在很多问题, 如下所述: (1) 由于土木结构复杂, 干扰因素较多, 工作环境趋于复杂, 土木结构的工程较大, 使得测量的精确性不高, 对损失部位和程度存在一定的误导。 (2) 就当前的应用来看, 动态检测对损失识别上比较迟钝, 往往不能进行损失的早期发现和预防。 (3) 对结构的预测性损失检测不灵敏, 不能反馈早期的信息, 但该方法具有良好的发展前景有待在实践中进一步的完善。
3 结语
就以上对土木工程损失检测技术的讨论, 从各种方法的优缺点、应用上进行对比, 不难发现, 这一系列的技术都具有一定的局限性, 当遇到复杂大型的结构是, 必须进行长时期的定时检测才能及时掌握各种信息, 了解损失程度、部位, 从而对其进行安全性评估, 采取相关的挽救措施。检测技术是一项具有生命力的技术, 现在检测界普遍趋向于建立结构上具有永久安全性传感器, 并能对处于正常环境中结构的物理力学状态、附属结构等的耐用性以及在具体环境下对结构进行实时监控的结构健康检测技术。具体实现主要是将计算机和检测仪器进行连接, 在现场完成各项指标的识别、检测。结构健康检测的发展具有广阔的前景, 能综合各个检测技术的不足, 取长补短, 为建立正确的防范措施提供依据, 其优点具体表现在第一, 能将数据进行准确的、客观的记录从而减少主观影响;第二全自动化的仪器保障了检测结构的可靠性。第三, 能进行及时的检测, 避免损伤的严重化, 减少经费的投入;第四, 高效的智能运转机制, 促进工程的高效运转, 降低投资成本, 由此不难想象结构健康检测技术是新时代检测发展的方向。
参考文献
[1]陈彬.现代结构风致响应分析和可靠度分析中的若干问题研究[D].东南大学, 2006.
[2]汤伟方.基于随机有限元法的退化点支玻璃幕墙的可靠性分析[D].东南大学, 2006.
建筑工程结构的损伤检测技术 第2篇
建筑工程结构损伤检测借助科技发展之力已完成了由最传统、最原始的专家检验一家之言向较科学、较规范的仪器检测先进之法的过渡, 而且评定既有结构物的可靠性从某种程度上说对科学仪器的依赖性也是只增不减。关于建筑工程结构损伤检测的研究工作从时间跨度上分有探索阶段、发展阶段和完善阶段:1940~1950年是采用目测法、凭经验判断的探索阶段, 主要研究结构缺陷为什么会产生及如何修补;1960~1970年是引入多种检测及评价方法的发展阶段, 主要研究建筑物的检测与评估方法;1980年之后是一系列的规范、标准都已制定的完善阶段, 此阶段强调建筑物的综合评价并应用到实际检测的工作中去。
2 传统的损伤检测技术
对建筑工程结构进行损伤检测最常用的即是简便易行的目测法, 目测法作为人工检测方法之一仅仅适用于结构规模小、复杂程度低的结构检测, 结构规模与复杂程度一旦增加, 应用该法的检测效率则会大打折扣, 同时还会因部分构件材料老化、检测区域肉眼所不能及等原因导致检测工作费时费力、检测结果也不准确。
无损检测法是结构局部损伤检测方法的一种, 仅仅适用于结构损伤区域已知的环境。应用无损检测技术还需要配备专业的测试设备与检测人员, 无损检测的工作量大、强度高, 还存在一定缺陷, 即特殊部位很难检测得到, 而且在线监测与整体损伤检测实现起来也有一定的难度。
局部检测法同样存在诸多局限且应用环境要求较高。例如, 要预先知道建筑工程结构缺陷的大概位置并确定结构缺陷之间是否接近, 对于部分难以到达的结构缺陷及结构规模较大、复杂程度较高的结构损伤检测, 此法则毫无作用;局部检测法需要人工定期进行检测, 所以检测期间部分结构的功能会停工或禁用, 这势必会影响经济增长;此外, 如果间隔期内的损伤不能被及时发现, 则会“牵一发而动全身”, 结构实时在线的连续监测便无从谈起。
传统的目测法和无损检测法都是针对结构局部而言, 因此对结构整体性能参数的变化很难做到有效预测, 实时、在线的健康监测和损伤检测都难以实现。建筑工程结构一旦出现损伤, 就会影响结构性能参数, 此种影响若能被检测并归类, 对提高建筑工程结构的损伤检测技术十分有益。
3 非传统的损伤检测法
3.1 基于静力参数的损伤诊断法
该法通过在结构上施加静力荷载, 建立静力平衡方程, 根据实际检测到的结果便可轻而易举的得出包括结构刚度、位移、应变等在内的静力参数。一般在单元层次上应用上述方法进行建筑工程结构损伤的检测与识别。现阶段的静力测试仪造价不高且技术先进可靠, 检测结果较为精准, 但因为其对试验环境的要求较高且工作量较大, 所以并不能达到实时、在线的健康监测和损伤检测目的。另外, 破损的结构受到特定荷载的影响却几乎没有发生形变时, 想得到预期的诊断结果是有些难度的, 因为基于静力参数的损伤诊断法本身存在一定的局限性。
3.2 基于振动的损伤检测法
3.2.1 动力参数诊断法
进行建筑工程结构损伤检测的主要目的除了确定是否存在损伤, 还要确定损伤位置及损伤程度。动力参数诊断法是指将通过观察得到的包括振型、频率、功率谱、模态曲率、应变模态、传递函数、能量传递比、模态柔度矩阵等在内已经改变的动力参数与基准参数进行比较, 之后通过选择可能性最大的改变来确定结构的真实情况。因为任何二阶振动模态相互间改变的自振频率情况可以作为损伤位置的函数, 所以可用其当作损伤指标;但其也存在一定局限性, 例如自振频率对局部损伤的敏感性不强, 如果不同位置的损伤出现相同的自振频率, 就要结合模态振型信息或灵敏度进行损伤定位。
3.2.2 神经网络法
大量的神经元构成了敏感的神经网络, 神经网络负责信息处理工作, 其通过网络元件之间的相互连接与分布式联系储存、传输信息。网络元件之间的动态连接演化过程决定了控制、优化与识别的难易程度, 神经网络之所以被广泛应用于这些领域很大程度上取决于其强大的容错性与非线性。神经网络与模态修正法及信号处理法相比, 其适应性更强, 可适用于线性和非线性系统;另外, 神经网络极强的环境振动处理能力降低了实际工程中的应用难度, 这也是其他方法无可比拟的优势之一。
3.2.3 小波分析法
常规的损伤检测发通常是检测结构的振型、频率、功率谱、模态曲率等在内的动力参数变化情况来确定结构的损伤位置及损伤程度, 这种振动反问题并不确定普适性, 因为如果进行结构动力参数变化测试时出现了极小的误差都会造成动力参数识别结果有很大出入, 因此应用于实际工程中的难度很大。而小波分析法可以有效分析结构损伤前后的时域响应信号和频域响应信号, 确定非线性系统响应的动力学特性以检测结构的非线性, 所以小波分析法特别适合用于正常信号与非正常信号之间的细微差别的识别工作当中。
3.2.4 遗传算法
1960年, Holland教授根据达尔文的进化论提出了遗传算法这一新颖的损伤检测技术。遗传算法是指在测试得到的信息量少的环境下能够快速确定结构的损伤位置及损伤程度, 就算模态信息不完整, 也不会影响到该方法的择优能力。
3.2.5 布里渊散射光时域反射测量技术
布里渊散射光时域反射测量技术是当前领先国际的一项发展成熟的高端技术, 其工作原理是利用光纤中的自然布里渊散射光的频移变化量与光纤所受的轴向应变之间的线性关系得到光纤的轴向应变。与传统的损伤检测法相比, 其具有分布式、长距离、光纤耐久性好且可实现实时、在线的健康监测和损伤检测等优点。
参考文献
[1]邱敏, 张学文.建筑工程结构振动控制的研究现状与展望[J].安全与环境工程, 2013 (03) .
[2]周奎, 王琦, 刘卫东, 等.建筑工程结构健康检测的研究进展综述[J].工业建筑, 2009 (03) .
桥梁缆索损伤检测技术分析 第3篇
近年来,缆索技术已被广泛应用于大跨度桥梁,其中包括悬索桥的主缆、吊索,斜拉桥的斜拉索,中承、下承式拱桥的吊杆。缆索系统作为长大跨径桥梁的主要承重结构,一旦出现损伤,将降低结构的使用性和耐久性,并且可能造成桥梁结构发生灾难性的突发破坏事故,造成极为恶劣的社会影响和惨重的经济损失[1]。本文介绍了桥梁缆索损伤的人工检测方法和无损检测方法,并着重总结分析了各种无损检测方法包括磁致伸缩技术、漏磁技术等的检测原理及当前的研究运用现况,可为以后的研究工作者提供参考。
2 检测技术分析
2.1 人工检测
长期以来,人们对于大跨桥的缆索、吊索的检测主要以人工检测为主,人工检测主要是检查缆索系统是否遭受腐蚀,缆索是否有倾斜,各紧固件是否松动。定期对缆索系统各部件涂刷防锈漆,对已锈者及时除锈,清查缆索腐蚀的钢丝数量,判断其腐蚀程度。
人工检测花费大量的人力和物力,而且检测过程基本以目测为主,对缆索的检测结果中人为主观因素比较多,因此人工检测不能满足相应的预警、安全的需要,对突发事故无法实现实时检测。
2.2 无损检测
1)振动法。振动法测索力是目前索力测定中应用最广泛的一种方法,振动法检测的一般原理及步骤为:a.进行现场振动测试,采集响应数据;b.进行数据分析,识别出索的自振频率;c.索的拉力与其自振频率之间存在着特定的关系,于是索力就可由频率经换算而间接得到。但是对于化学腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳等引起的锈蚀、断丝等病害,振动法的检测则力不能及。
2)电磁法。电磁检测法基于钢索的磁特性,当采用永久磁铁励磁回路对缆索磁化后,缆索便相对于励磁回路运动,若遇到断丝则断口处将产生向外泄露的漏磁场;当缆索中金属横截面积总和发生变化时,励磁回路中的主磁通量将随之改变。检测缆索缺陷时采用两种磁性检测手段:a.漏磁检测法(见图1);b.磁桥路检测法(见图2)。
3)磁致收缩法。近年来也有通过磁致伸缩效应(MsS)原理来检测钢索损伤的案例。磁致伸缩效应是指铁磁性材料受到外加变磁场的影响,物理长度和体积都会发生微小的变化。由此可通过控制磁场的变化等因素来产生各种机械波(如纵波、扭力波、弯曲波、表面波等),波沿着结构件有限的边界形状传播并被构件边界形状所导向,在传播途中导波若遇到破裂或缺陷,则部分信号发生反射,导致信号波形发生变化,通过传感器接收并由处理系统来判断损伤的程度(见图3)。
目前此项技术主要用于钢索、管道、棒材、板盘件的损伤检测。
从以往检测研究可以看出[9],对基于磁致伸缩导波检测,传感器无需通过缺陷部位,远距离即可检测出缺陷,因此导波检测精度与缺陷和传感器之间距离有关,在导波检测范围内,传感器越靠近缺陷,检测精度越高,可较好的同时进行缆索中多处缺陷的检测并实现损伤定位,但无法区分断丝在斜拉索的周边分布位置。
4)弱磁检测技术。弱磁检测技术是发现空间磁场矢量态势的变化和运动规律后在检测领域的应用。这项技术基于空间磁场矢量合成理论、弱磁检测新方法和窦氏元件新技术,它可以对钢丝绳进行损伤检测。目前,这项技术主要应用在电梯、起重机、索道等裸索的无损检测,可较好地进行损伤定位、损伤量值判断,并且10%以上损伤的检测可靠度高。检测需要制作样索标定,标定后可分辨各种类型损伤,包括断丝、锈蚀、磨损等。
5)声学监测法。声学监测法采用声发射原理,当斜拉索中的钢丝束突然断裂后,储存在钢丝束中的应变能就很快释放。释放的能量使得该钢丝束的声学特性发生变化。安装在拉索上的传感器将测到的声学响应传递到附近的数据采集单元保存,然后再通过局域网或拨号网络传输到中央处理设备上,可用来监测高拉力的钢丝、钢丝束和拉索的断裂。但其传感器必须在断丝发生前已经安装,因此对已经发生断丝的缆索系统的断丝检测无能为力。
6)超声法。用超声法检测断丝的基本原理是接收断丝部位的反射波,因此应掌握断丝部位的反射特性。出于放射等因素,在芯线中传播的超声波随传播距离的增加而衰减。因此,用反射波检测远离超声波入射端的断丝部位是困难的。缆索损伤除了断丝之外还有腐蚀。通过对腐蚀部位的反射特性实验证明,用反射法检测芯线腐蚀是困难的。
7)布拉格光纤光栅传感器。布拉格光纤光栅(Fiber Brag Ging)传感器的基本原理是在一根光纤的内表面刻出一个光栅,当该光栅在的区域发生应变时,就会引起光栅发生变形。通过该光栅反射的光的波长就会发生变化,分析探测器所接收到的光信号波长的改变可以得到光栅所在区域内的应变值。光线只是起到传光的作用。采用布拉格光纤光栅传感器进行断丝监测的优点在于:光栅传感器性能稳定,测量精度高,不受电磁辐射的影响。但其不足也很明显:目前的试验只是用在直径很小的索上,如果索的直径较大,很少的断丝对拉索应力的影响较小,并且实际桥梁中拉索的应力受自然情况的影响经常发生改变,很难区分到底是什么原因引起的拉索应力的变化。
3 结语
从目前的研究现状可以看出,声发射技术相对在缆索断丝监测领域已经取得了一定的成功的应用,但其要求进行长期在线监测,不仅造价高昂,而且不具备对已经发生断丝的缆索进行无损检测的能力,也不具备缆索腐蚀检测的能力;其他的几种方法对桥梁缆索的锈蚀、断丝进行检测,在检测原理上可以实现的方法有电磁法、磁致收缩法和弱磁检测法,这三种方法在其他领域中对钢索的检测都有较成功的应用。但这些方法在桥梁缆索检测方面应用时仍需进一步结合桥梁缆索的实际情况加以改进。电磁法、磁致收缩法、弱磁检测法在桥梁缆索检测中的应用较有前景,具有非常重要的科研和工程价值。
参考文献
[1]Ming L.Wang,Zhen L.Chen,Steve S.Koontz,et al.Magne-toelastic permeability measurement for stress monitoring in steeltendons and cables[J].Proceeds of SPIE,2000(3995):49-50.
[2]叶觉明.缆索用钢丝的断丝问题[J].钢结构,2003,3(18):25-27.
[3]郝超,裴岷山,强士中.斜拉桥索力测试新方法——磁通量法[J].公路,2000(11):23-24.
[4]王悦民,康宜华,武新军.磁致伸缩效应在圆管中激励纵向导波的理论和试验研究[J].机械工程学报,2005,41(10):174-179.
[5]Zheng G,Ko J.M.Multi mode-Based Evaluation of Cable Ten-sion Forcein Cable-Supported Bridges[J].Smart Structures andMaterials 2001:Smart Systems for Bridges,Structures andHighways,SPIE,2001(4330):511-522.
[6]邓年春,龙跃,孙利民,等.磁通量传感器及其在桥梁工程中的应用[J].预应力技术,2008(2):17-20.
[7]陈厚桂.钢丝绳磁性无损检测技术的评估方法及标准研究[D].武汉:华中科技大学博士学位论文,2006.
[8]M.Hirao,H.Ogi.EMATs for Science and Industry,Noncon-tacting Ultrasonic Measurements[M].Boston:Kluwer Academ-ic Publishers,2003:1-60.
铁路桥梁局部损伤检测技术综述 第4篇
铁路桥梁在一个国家的交通运输和经济发展中占有重要位置,我国铁路桥梁技术的发展已经走过了100多年,新中国的铁路桥梁技术经历了从建成学会到独立自主,从仿制到自主创新的过程。目前,中国桥梁的设计和施工已经达到了世界先进水平。与公路桥梁相比,铁路桥梁荷载大,冲击力大,要求能抵抗自然灾害的标准高,必须对其进行定期检测以确保铁路桥梁后期维护与建设的同步。铁路桥梁局部损伤检测与健康监测是近年来国际上的研究热点,它是保证铁路桥梁安全运营的重要手段。铁路桥梁局部损伤检测技术的成功应用将起到确保铁路桥梁安全运营,延长铁路桥梁使用寿命的作用,同时通过铁路桥梁早期损伤的发现,能够大大节约铁路桥梁的维修费用,最大程度地减小铁路桥梁事故造成的损失[2]。
1 桥梁局部损伤的原因和种类
铁路桥梁在长期使用过程中会发生各种结构损伤,导致其发生局部损伤的原因主要有:使用、维护不当,车祸事故等人为因素,地震、风暴等自然灾害,交通量猛增加剧桥梁结构的自然老化等。以上因素均导致了铁路桥梁承载能力和耐久性的降低,甚至影响到运营的安全。
由于铁路桥梁主要为钢筋混凝土结构,故典型桥梁的局部损伤主要包括两类:一类是混凝土的开裂、缺陷、碳化,另一类是钢筋的锈蚀[2]。这两类损伤在铁路桥梁实际应用中互相影响且可前可后,有可能先裂后锈即混凝土开裂后导致的钢筋锈蚀,也可能先锈后裂即由于钢筋锈蚀导致混凝土开裂或表面混凝土成块脱落。
2 国内外铁路桥梁局部损伤检测技术
2.1 电检测技术
传统的铁路桥梁局部损伤检测方法即电检测技术,该技术是在桥梁的某个部位上外粘电阻应变片来测量应变的技术。它所依据的原理是将应变片组成桥式结构来感应被测体应变的变化,并转换为与应变片的电阻变化之间的关系成需要的电量,以利用应变变化为应变率进行检测,也被称为应变检测技术。电检测铁路桥梁主要分两种类型:钢筋混凝土梁和钢梁。
2.2 红外热像仪检测技术
红外线辐射检测技术用于无损测试始于二十世纪六七十年代,后来在八十年代被数字化,红外线能在电磁谱中产生介于微波和可见光的波频,红外线谱分为低于10 μm的近红外线和波长更长的远红外线,应用于无损评估的红外线系统,绝大多数在近红外线区和略超出红外线区工作,波长一般在1 μm～15 μm之间。红外线检测技术是依据物体的红外辐射、表面温度、材料特性三者间的内在关系,借助红外热像仪把来自目标的红外辐射转变为可见的热图像,通过热图像特征分析,直观地了解物体的表面温度分布,进而达到推断混凝土梁内部结构和表面状态的目的。红外热像仪检测技术可以非接触地测量,快速,高稳定性,设备轻便,后处理灵活,热成像图可以很好地反映温度的信息。但是影响物体温度的变量是相当多的,尤其天气的变化是一个很重要的原因。
2.3 光纤传感器检测技术
光纤传感技术是利用光纤对某些特定的物理量敏感的特性,将外界物理量转换成可以直接可测量的信号的技术。由于光纤不仅可以作为光波的传播媒介,而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、应变、磁场、电场、位移、转动等)的作用而间接或直接的发生变化,从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。这就是光纤传感器的基本原理。
由于光纤传感器是以光信号为变换和传输的载体利用光纤传输信号,所以在桥梁局部损伤检测中,光纤传感器具有许多独特的优点:抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全;重量轻、体积小、外形可变;对被测介质影响小;具有极高的灵敏度和分辨率;便于复用,便于成网,有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络;成本低[5]。
2.4 声波探测技术[6]
2.4.1 超声波探测技术
超声波探测技术利用声脉在缺陷处发生特性变化的原理来进行检测。超声波能够以一定的速度在某种材料中传播,直至遇到不连续点或抵达测试物的边界时才反射回来,通过信号的强度可以获知损伤的程度,而将信号发生的时间和超声波在材料中的传播速度联系起来,则可以获知损伤的位置。
2.4.2 声波发散检测技术
大多数结构材料在受力后出现如塑性变形、裂纹开裂、裂纹开展等微结构损伤时,就以声波的形式释放能量,它可以对处于荷载作用状态下的桥梁结构的内部材料和结构变化进行稳定的监视,并给出早期报警。
2.4.3 冲击—回声检测技术
冲击—回声检测技术主要是根据应力波能够在材料中传播的原理设计的,基本的测试方法和超声波相似,应力波可以通过两种方法产生:使用转换器产生的应力波称为脉冲—回声法;使用机械冲击器产生的应力波称为冲击—回声法,它同样可以通过应力波的强度和发生时间测定缺陷程度和位置。
2.5电磁探测技术
2.5.1探地雷达技术
探地雷达是军用技术民用化的典型代表,已经在建筑物、桥梁和其他结构评估中广泛使用,探地雷达是利用电磁脉冲波发射原理来实现探测目的,它是利用超高频短脉冲(106 Hz～109 Hz)电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法。其基本原理是利用表层上的发射器发射电磁波,当电磁波穿过媒介时,一方面由于材料的不均匀性和导电性的差异会使振幅衰减;另一方面当信号到达中断点处时,由于介电性会反射回来被接收天线接收,因此,频率、反射和导电率三种因素决定了电磁波穿透隧道结构的深度。当发射天线在表层上移动时,根据电磁波反射角和传播时间的改变,可以从传播时间曲线中分析检测出不同深度的缺陷和异常。在桥梁无损中的典型应用如混凝土中的钢筋和孔道的定位以及缺陷和疲劳探测等。
2.5.2涡流检测技术
涡流的基本原理为电磁感应,主要应用于检测表面损伤。当检测线圈与导电材料的构件表面靠近,并通过交流电时,所产生的交变磁场将在构件表面产生感应电流,呈环形涡流状,电涡流的大小与分布受构件材料介质和表层缺陷的影响,根据所测电涡流的变化量,就可以判定材料表层的缺陷情况。
3结语
无损检测技术在综合利用声、光、电、磁等方法测定有关对象性能的物理量的同时,以不破坏被检测对象的内部结构和使用性能为其优点,已成为铁路桥梁等的主要检测技术,但各种检测技术都有其相应的优点,如电检测技术已经非常成熟,而光纤检测技术则具有可靠性好,抗干扰能力强,抗电磁干扰,电绝缘,耐腐蚀等优点。实际应用时,可根据局部损伤的具体部位、开展情况,从结构安全性、客观成因等方面综合考虑,并结合客观情况和自身设备条件优化选择铁路桥梁局部损伤的检测技术。
摘要：介绍了铁路桥梁局部损伤的原因和种类,并详细阐述了利用电、光、声、磁等无损检测技术对铁路桥梁的局部损伤进行检测的相关技术原理,为铁路桥梁局部损伤的检测提供了多项技术选择。
关键词：铁路桥梁,局部损伤,检测
参考文献
[1]高宗余,方秦汉,卫军.中国铁路桥梁技术发展与展望[J].铁道工程学报,2007,1(1):55-59.
[2]黄艳红,高晓蓉.青藏铁路桥梁损伤检测技术的探讨[J].新西部,2007(12):249-251.
[3]徐金帅,黄莉,李长召.无损检测及壁可法修复预应力桥梁墩帽处裂缝[J].山西建筑,2007,33(29):308-309.
[4]李文英,蒋敦斌,刘元红.智能型便携式桥梁应变检测仪[J].天津师范大学学报(自然科学版),2001,21(3):50-53.
[5]毕卫红,朗利影.桥梁检测中光纤传感技术的研究综述[J].传感器世界,2002(6):1-5.
土木工程损伤检测技术 第5篇
一、篮球运动损伤常见的类型及部位
根据此次调查显示, 篮球运动损伤的类型主要是以关节扭伤居多, 占51.25%, 其次是肌肉拉伤、软组织挫伤, 所占的比例比较高, 分别是22.5%、18.75%, 其他损伤占7.5%。 损伤部位主要集中在踝关节、膝关节, 分别占37.5%和25%, 其次是手指部位, 腰背部和其他部位, 分别为18.75%、10%、8.75%。 损伤发生率较高的踝关节和膝关节, 损伤类型基本上是扭伤, 手指部位和腰背部损伤基本上是软组织挫伤和拉伤。
二、篮球运动损伤的原因
此次调查发现, 中专男生在篮球运动中损伤原因主要包括错误的技术动作、不充分的准备活动、随意进行训练, 分别占30%、25%和22.5%, 自我保护不足和场地因素, 分别占6.25%和3.75%, 心理因素占12.5%。 通过对损伤原因的分析, 大中专生男生在篮球运动中的损伤主要是由于缺乏专业知识和指导, 导致技术动作不正确、随意进行训练、不充分的准备活动和自我保护不足。 调查中由于对场地设施和心理因素缺乏考虑, 其成了损伤的原因之一。
三、篮球运动损伤后的处理与保护
对于篮球运动损伤后的处理方法, 46.25%的人选择先自行处理, 若严重了则再到医院或者医务室进行治疗, 20%的人选择直接到医院或医务室进行治疗, 自行随意处理和无任何治疗所占的百分比分别是18.75%和15%。 大部分人选择的是先自行处理, 若严重则再求医的处理方法。 其次是自行随意处理损伤, 中专学生普遍缺乏专业的运动知识和专业的医疗知识, 自行处理若处置不当, 有可能使得损伤更严重, 或者错过最佳的治疗时机。 小部分人甚至不对损伤部位进行处理, 这是非常不理智的, 若是置之不理, 如果留下后遗症, 就必定对日后的学习和生活造成相当大的影响。 在继续参加篮球运动时是否戴护具保护自己的受伤部位, 52.5%的人选择有时候会, 有时候不会, 25%的人会坚持佩戴护具, 还有22.5%的人选择不会带护具保护自己。 损伤后, 继续参加运动时戴上护具保护自己受伤的部位虽然有可能会妨碍运动水平的发挥, 但是可以使受伤部位得到一定程度的保护, 并且减轻或避免激烈运动使受伤部位重复受伤。 相当一部分人选择有时候会佩戴, 有时候不会佩戴和没有考虑佩戴, 这是自我保护意识极为薄弱的表现, 没有正确地意识到损伤的严重性。
四、建议
1.加强思想教育, 树立正确态度。
学校体育教育同其他学科一样, 要将相关的体育基础知识、基本技能传授给学生。 在提倡学生积极参与体育运动锻炼的同时, 还要重视学生的体育项目规则教育, 要求学生在遵守比赛规则的基础上, 发挥拼劲, 避免不道德的行为和粗暴、危险的技术动作。 培养学生的参与意识, 弱化胜负意识。 强调参与体育项目主要目的是强身健体, 丰富日常生活, 培养团结友爱的精神。 教育者要看到篮球运动除具有强身健体的作用之外, 还要看到篮球运动教育与德育的连接点, 在进行篮球运动教育的时候, 适当地向学生进行道德教育。 我们可以将顽强拼搏精神的教育、团结互助的集体主义精神教育与篮球运动教学的过程结合起来, 这样既能够在篮球运动教育中对学生进行思想品德教育, 又能够通过思想品德的教育有效地预防和减少篮球运动中的一些不必要的损伤。
2.掌握理论知识, 重视技术指导。
根据调查相关数据, 大部分人在篮球运动训练或比赛中损伤是由于缺乏专业知识和技术指导, 而在损伤后的处理方法上显得缺乏基本的运动知识和医疗知识, 容易导致损伤加剧。 中专学生与职业型的篮球运动员和篮球专业的大学生不同, 基本的运动知识、医疗知识、专业的篮球运动知识和技术指导都比较缺乏。 因此, 在学校资源允许的情况下, 要面向全校学生开设关于基本运动知识和医疗知识的课程, 促使学生积累理论知识。 在学生进行篮球训练或比赛前, 篮摇球摇教师要对学生进行关于专业的篮球运动知识的教育, 包括对篮球运动的整体认识、篮球运动规则的详细讲解、开展篮球运动场地的要求等。 除了理论知识的传授以外, 还需要专业的技术指导, 包括如何做好运动前的准备运动和运动后的放松运动、运动期间复杂技术动作的分解动作指导, 等等。 在举行篮球比赛时, 要有篮球教师在场对学生进行指导、监督。
3.增强自我保护意识, 重视客观场地因素。
在主观上增强自我保护意识, 树立预防为主的观念, 对于预防和减少篮球运动的损伤是非常有效的。赛前要做好充足的准备运动;比赛时要时刻注意自身的安全, 赛后要做好放松运动;发生损伤后要及时到医院或医务室处理, 继续参加比赛时要戴上护具以保护损伤部位。尽可能地做好自我保护的措施, 不要存在侥幸心理, 存在不安全因素的情况下, 避免进行篮球运动的训练或比赛。由于篮球运动本身的特点, 运动损伤难以避免, 但可以预防和减少运动损伤的发生, 在损伤后要以正确的态度对待运动损伤, 以积极的心态配合医生的治疗。大部分人在参加篮球运动训练或比赛时, 都缺乏对心理因素的考虑, 但是心理因素会在运动中造成损伤。因为篮球运动的竞技性强、动作复杂、速度快, 这就要求运动员在训练或比赛都需要集中注意力, 全情投入, 稍有分心就会引起技术动作出错、产生不必要的碰撞而导致受伤。因此, 在参加篮球运动训练或比赛前, 除了要考虑自身的生理因素外, 还要考虑自身的心理状况是否适合开展篮球运动。除了要考虑主观因素以外, 客观场地因素也为大部分人忽略, 如场地是否适合开展篮球运动, 场地设施是否安全, 场地是否存在不安全的因素等。我们要充分利用学校资源, 监督学校管理, 促进学校运动设施资源的优化配置, 使学校尽量向学生开放体育设施, 协调管理学生使用体育设施, 定期保养、维修、更换体育设施, 为学生开展体育运动锻炼提供必要的保障。
4.完善学校医疗保障制度。
学校要设立适合篮球运动损伤的医疗机制, 从预防、减少、治疗、定期检查一条龙的医疗保障制度。 定期面向全校学生宣传基本的医疗知识、损伤的急救措施、预防和减少运动损伤, 有针对性地向经常参加篮球运动训练或比赛的学生讲授如何有效地预防和减少篮球运动中的损伤。
参考文献
钢丝绳断丝损伤定量检测技术 第6篇
钢丝绳是矿井提升、运输系统的重要组成部分。在钢丝绳使用过程中,由于磨损、修饰等原因,不可避免地会产生断丝损伤,其损伤程度和承载能力直接关系到设备和人身安全,因此,研究钢丝绳断丝检测技术具有十分重要的意义。目前,国内各种钢丝绳断丝检测仪产生错判和漏判的的主要原因是断丝损伤特征信号选择不合理以及对信号处理不当。因此,通过合理地选择钢丝绳断丝损伤信号以及合理地处理特征信号,可以有效地提高钢丝绳检测仪的精度。
本研究针对钢丝绳断丝损伤特征信号的选取以及处理提出一些看法。
1 钢丝绳断丝检测原理图
钢丝绳断丝定量检测的过程,如图1所示。当钢丝绳穿过电磁缺陷检测器时,检测器中的高磁能磁铁能快速把钢丝绳深度磁化至饱和状态 ,钢丝绳内外部的断丝、锈蚀所引发的漏磁场,由环抱钢丝绳的磁敏传感器检测以获取损伤信号。传感器的输出信号,经放大滤波、误差补偿等预处理后,信噪比得到提高,信号电平达到计算机所能接受的范围;钢丝绳相对于检测器移动一段距离,光码盘产生序列脉冲信号,控制计算机进行等空间采样;经A/D转换后的数字信号输入计算机,再经过信号叠加、差分、野点剔除等预处理后,即可进行断丝的定量识别[1]。
为断丝损伤检测系统选择A/D传感器时主要应考虑A/D转换器的速度和精度。为了获得较高的分辨率,减小量化误差,应选择8位以上的字长;而在钢丝绳断丝检测过程中,对于每一处损伤,要求实时地、无漏检地实现对特征量的采集,并实现对采集数据的前期处理,因此,在钢丝绳运行较快时,A/D转换的速度越快越好。在本检测系统中,选用了12位逐次渐进式A/D转换器AD574A,其转换时间为25 μs,可以满足钢丝绳运动速度在10 m/s左右的要求。
2 等空间采样
磁化后的钢丝绳,其磁场分布是钢丝绳空间位置上的不变量。在检测过程中,要做到匀速检测是很困难的,若按事先设定好的采样频率进行时域采样,就会造成钢丝绳断丝损伤信号在时间轴上被拉伸或压缩,从而导致信号分析的困难。因此,在钢丝绳检测中,一般采用空域采样方法,它不仅降低了后续信号处理难度,提供了断丝发生的轴向位置信息,而且能消除检测速度对检测结果产生的影响。这就要求沿钢丝绳轴向上,检测装置每前进一个步长,A/D传感器就采集一次数据,并将采集的数据传给CPU以完成信号的处理,也就是检测装置每前进一个步长,就要发出中断请求,请求CPU启动AD574A转换。为完成这一特定任务,采用编码器(等距离脉冲发生器)来触发单片机等空间采样。所选用的编码器必须定最佳脉冲频率,而且所选用的编码器必须有较高的防护等级和较好的可靠性,同时,考虑到尺寸、连接方式和供电电压等因素,选用德国KUBLER公司生产的旋转型编码器3600型。
在钢丝绳检测过程中,导轮沿钢丝绳轴向作纯滚动,带动光栅作同步转动,当传感器相对于钢丝绳每移动一个空间采样间隔时,在光栅作用下,光敏管输出一个脉冲信号,该信号去触发单片机的
在钢丝绳LF信号检测时,采样间距与断口宽度和断丝直径有关,因此,ΔS在实际检测中的取值,可由不同损伤的钢丝绳检测实验来确定,在本检测系统中,采样间距ΔS定为2 mm。
3 损伤量的数据预处理
在经过等空间采样取得损伤数据后,进行预处理,目的是滤除各种外界干扰和噪声。在本系统中,对采样数据进行了平滑处理。
鉴于工业现场的复杂情况,检测系统在采集到数据之后,对其进行了平滑处理,其目的是剔除数据中可能出现的短促干扰信号和数据中的无意义的野点信号。中值平滑器的输出:
y(m)=Median[x(m),x(m-1),x(m-2)] (1)
式中 y(m)平滑器的输出;x(m)采样结果;Median中值函数。
4 特征信号的选取
霍尔元件检测的钢丝绳断丝漏磁检测信号,如图2所示。在67-20.0钢丝绳的连续3个不同横断面上人为制作数根断丝(各截面断丝数为1,2,3,位置分布任意),其损伤信号,如图3所示。由图3可以看出,断丝数的不同,必将引起断丝信号的变化,对应断丝损伤信号的幅度和宽度不同。
经过预处理后的漏磁检测信号可用来进行钢丝绳断丝损伤缺陷的检测与评判。但是由于钢丝绳结构的复杂性,导致检测信号极其复杂,因此只能选择明确而且易于识别的信号特征量来对断丝等缺陷进行判断。
4.1 信号的峰值
断丝附近存在信号局部峰值,断丝信号的绝对峰值通常高于正常钢丝绳的股波漏磁信号,如图3所示,p即为钢丝绳断丝损伤信号的峰值,根据峰值的大小可以粗略判断有无断丝、断丝的位置及断丝的多少:
p=max[y(m)] (2)
4.2 阈值波宽
峰值是基于信号的幅度提出的,为了更好地描述信号的状态以及钢丝绳断丝的程度,除考虑幅度方面的因素外,还应考虑空间分布的情况。最简单的空间参数是波宽[2],波宽是衡量断丝口宽度的主要性能指标。如图3所示,定义阈值电压Vy处信号的波宽W为阈值波宽:
式中 N个波动中的采样点数。
4.3 波形下面积
波形下面积是指一个阈值波宽的信号的波形下面积(如图3所示的阴影部分)。它是综合考虑信号幅度和宽度两方面因素而提出的另外一个重要参数[3],与波动信号的均值有关。
5 断丝的定量识别
在钢丝绳断丝检测中,对断丝的识别多采用传统的模式识别技术,但是由于钢丝绳结构复杂及组成钢丝绳的钢丝和钢丝绳本身规格尺寸的多样性,使得人们难以得出统一的模型和定量的识别规则,而神经网络作为一种自适应模式识别技术,为断丝的定量识别提供了新的方法。
钢丝绳断丝损伤的神经网络模型,如图4所示。
5.1 网络层数选择
在BP网络中,如果隐含层数过多,不仅会降低计算速度,而且会放大传播误差。而对于3层BP网络,如果隐含层的节点数足够多,就可以实现任意复杂的函数映射[4],因此,本研究采用3层BP网络来建立钢丝绳断丝损伤定量识别的BP神经网络模型。
5.2 输入参数选择
经分析,对钢丝绳断丝损伤进行定量识别所依据的因素主要有:检测信号的峰值、阈值波宽和波形下面积、钢丝绳绳径、钢丝直径5个基本因素[5,6,7,8]。因此,设定网络输入层有5个结点。
5.3 输出参数确定
在一个断面内,钢丝绳的断丝数不会超过4个。设定网络输出层有2个结点,用y(i)(i=0,1)来表示钢丝绳在一个断面内断丝的根数,其对应关系,如表1所示。
5.4 隐含层结点数的确定
要使得BP网络能够准确地识别断丝,必须选择合适的隐含层结点数。隐含层节点数过少,网络在训练过程中难以收敛,而节点数过多,又增加了网络训练的难度和计算量。在具体训练中,隐含层的节点数都是试凑出来的,事先设计一个隐含层节点数较小的网络,然后逐渐增加隐含层的结点数以使得网络能够收敛。
选择67-20.0钢丝绳作为试件,在试件的10个不同横截面上人为制作各种不同形式的数根断丝,断丝间隙都在2 mm以上。对该试件进行50次检测试验,获得50组参数作为网络输入样本来训练网络。然后再用此网络对钢丝绳上10处共20根断丝识别,其准确率接近90%。若增加网络的训练样本数,那么定量识别的准确率会进一步提高。
6 结束语
钢丝绳断丝损伤检测实际上是对损伤进行定量检测,不仅要判别是否存在断丝,而且要确定断丝的位置和数量。通过合理地选取断丝损伤检测信号的特征量,采用先进的信号处理技术,能有效地提高检测的精度和灵敏度,实现钢丝绳断丝损伤检测的自动化和智能化。
因此,神经网络技术为解决钢丝绳断丝识别问题提供了一个新的有效的方法,并有其独特的优势。研究表明,神经网络模型对于解决钢丝绳断丝损伤定量识别这样复杂的问题而言,具有独特的优势,为钢丝绳断丝损伤的定量识别提供了一个新的、有效的方法。在制作钢丝绳检测仪时应注意这种方法的使用。
参考文献
[1]杨叔子,康宜华.钢丝绳断丝定量检测原理与技术[M].北京:国防工业出版社,1995.
[2]谭继文.钢丝绳LF型损伤定量识别的神经网络方法[J].矿山机械,2002,30(3):15-17.
[3]徐峻峰,陶德馨.基于BP网络的钢丝绳断丝模式识别[J].武汉理工大学学报,2002,24(2):52-55.
[4]许东,吴铮.基于Matlab6.X的系统分析与设计—神经网络[M].西安:西安电子科技大学出版社,1998.
[5]LI Jin-song,YANG Sui-zi,LUWen-xiang,et al.Space-do-main feature-based automated quantitatiue determination oflocalized faults in wire ropes[J].Material Evaluation,1990,48(3):336-341.
[6]QI Le-hua,HOUJun-jie,CPUIEILING,et al.Research onpredictions of the processing parameters of liquid extrusionby BP network[J].Fuel,1999,95:232-237.
[7]胡阳,康宜华,卢文祥,等.钢丝绳无损检测中的一些算法—信号的预处理与特征提取[J].无损检测,2000,22(11):483-488.
土木工程损伤检测技术 第7篇
金属磁记忆检测技术是由俄罗斯学者Doubov[1]于1997 年提出的一种新的损伤检测及表征方法, 其基本原理是处于地磁环境下的铁磁构件受工作载荷的作用, 其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向, 并在应力与变形集中区形成的漏磁场切向分量Hp (x) 具有最大值, 法向分量Hp (y) 改变符号且具有零值点, 这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留, 从而通过漏磁场法向分量Hp (y) 的测定, 便可推断工件的应力集中和损伤部位[1,2]。该技术因具有对金属构件损伤进行早期检测及定量表征的潜力而受到国内外许多研究者的极大关注, 并开展了较多的研究工作。但是, 由于发展时间较短, 目前只能定性的对磁记忆检测结果进行分析, 难以达到对构件疲劳损伤程度的定量化表征[3,4,5,6]。
本工作通过对18CrNi4A钢缺口试件在三级应力水平下进行疲劳试验和磁记忆信号检测, 研究了磁信号在疲劳循环过程中的变化规律, 探讨了磁场强度梯度K平均值法对于定量评估试件疲劳损伤的可行性。本研究结果为建立定量评估构件疲劳损伤的磁记忆评价模型奠定了基础。
1 实验材料和方法
选用应用广泛的18CrNi4A渗碳钢, 该钢经淬火 (810～830℃, 1h, 油冷) 及低温回火 (170～190℃, 2h, 空冷) 后, 具有良好的综合性能, 材料拉伸性能如表1所示。疲劳试件形式及尺寸如图1所示, 缺口应力集中系数Kt=3。试件的初始磁信号受机械加工、热处理状态和运输条件等各种因素的影响较大, 为了消除材料本身磁性对结果的影响, 实验前对试件进行感应退磁处理。
疲劳试验采用应力控制, 选用三级应力水平 (最大疲劳应力分别为0.93σ0.2, 0.76σ0.2, 0.58σ0.2) , 正弦波形, 应力比R=0.1, 加载频率f=3。磁信号检测跟踪试件从未加载直至断裂的整个过程的磁信号变化。检测方式采用离线检测, 即在预定周次从疲劳试验机上取下试件, 按南北方向水平放置于检测平台上, 采用三维电控平移台带动磁信号检测探头, 以10mm/s的移动速率和0.5mm提离高度, 沿试件上所标的五条检测通道从A (北) 到B (南) 方向进行。五条测量线长度为60mm, 如图1虚线所示。
疲劳试验于MTS810型液压伺服试验机上进行;表面磁记忆信号的检测采用EMS2003型智能磁记忆检测仪;采用非铁磁性材料的三维电控平移台控制探头移动。
2 结果与讨论
2.1 磁信号变化特征及应力集中位置判定
在三级应力水平下的疲劳试验过程中, 各试件表面磁信号具有相同的变化规律。同时, 在各试件的1-5检测通道磁信号随循环周次的变化规律中, 3和5通道相似, 1, 2和4通道相似。图2给出了0.93σ0.2条件下试件表面1, 3通道磁信号随循环周次的变化关系。由图2可知, 经过1次循环后, 试件表面磁信号即与初始磁信号有很大差异, 磁信号最大值Hp (y) max和最小值Hp (y) min的绝对值急剧增加, 并且磁信号曲线出现过零点。在稳定循环阶段, 磁信号随疲劳循环周次增加无显著改变, 直至寿命裂纹萌生后, 磁信号逐渐增大, 并在断裂后发生激变, 在断口处形成正负磁极。
比较图2中1, 3通道磁信号变化规律, 1通道磁信号变化较为平缓, 无信号突变特征。3通道磁信号在缺口附近出现近似台阶状的突变。1, 3通道分别位于试件中心和缺口根部, 根据文献[7]的研究结果, 缺口试样在拉应力作用下, 最大应力位于缺口根部, 并呈蝴蝶形对称分布。由此可见, 1, 3通道磁信号特征的不同, 主要是由于应力集中程度不同所致。从1, 3通道磁信号过零点看, 两通道的磁信号过零点均与试件断裂位置不吻合, 存在一定的位置偏离, 这一特征在应力集中程度较小的1通道更为明显, 而这与目前磁记忆技术采用过零点判定应力集中位置的判断准则并不一致[8]。将疲劳循环过程中试件表面磁信号减去初始磁信号, 其数据处理结果见图3。可见, 数据处理后, 磁信号过零点与试件断裂位置基本完全重合, 偏离距离很小, 由此可见, 采用该方法处理磁信号后, 磁信号过零点准则判定应力集中位置更为有效准确, 这与文献[9]的研究结果一致。
2.2 磁信号特征参量变化特征
为了定量评估构件损伤程度, 必须提取磁信号的特征参量。目前较为常用的磁信号特征参量是磁场强度梯度Kmax。本工作经过对磁信号实验数据的分析, 提出了以下三特征参量, 即磁信号最大值Hp (y) max、磁信号最小值Hp (y) min及磁信号最大值与最小值的差值Hp (y) sub。
由于在三级应力水平下试件表面磁信号具有相同的变化规律, 磁信号特征参量Kmax, Hp (y) max, Hp (y) min及Hp (y) sub也具有相同的变化规律。图4和图5分别给出了0.93σ0.2条件下试件1-5通道特征参量Kmax值以及1, 3通道特征参量Hp (y) max, Hp (y) min及Hp (y) sub随循环周次的变化规律。由图4可知, 位于试件中部的1, 2, 4通道特征参量Kmax绝对值基本相同, 并且明显低于试件缺口根部的3, 5通道Kmax绝对值, 而裂纹首先萌生处的3通道Kmax绝对值最大。对于3通道Kmax值, 可分为三阶段:第一阶段为Kmax绝对值快速增长阶段, 即在疲劳试验开始的100循环周次左右, 这阶段对应材料的循环软化阶段;当进入材料疲劳稳定循环阶段后, Kmax绝对值基本保持稳定, 为第二阶段;裂纹萌生后, Kmax绝对值逐渐增大, 直至断裂前的激增, 为第三阶段。磁信号特征参量Hp (y) max, Hp (y) min及Hp (y) sub绝对值也存在类似的变化规律, 如图5所示。由此可知, 磁信号特征参量Kmax, Hp (y) max, Hp (y) min及Hp (y) sub值存在一定的内在联系, 其绝对值均随应力集中和疲劳损伤程度的加剧而逐渐增加, 反映了构件应力集中和疲劳损伤程度。因此, 通过磁信号特征参量Kmax, Hp (y) max, Hp (y) min及Hp (y) sub值的变化特征, 可准确判定构件应力集中及疲劳损伤程度。
同时, 比较三级应力水平下磁信号特征参量Hp (y) sub值随循环周次的关系, 结果如图6所示。由图6可知, 最大疲劳应力为0.93σ0.2试件 (1#和2#试件) 的Hp (y) sub值最大, 最大疲劳应力为0.76σ0.2试件 (3#和4#试件) 的Hp (y) sub值居中, 最大疲劳应力为0.58σ0.2试件 (5#试件) 的Hp (y) sub值最小。Hp (y) sub值大小表现出与应力水平存在强烈的相关性, 应力水平越大, Hp (y) sub值也越大, 而同一级应力水平下的Hp (y) sub值基本相当。另外, 磁信号特征参量Hp (y) max, Hp (y) min也具有相同的特性。由此可见, 磁信号特征参量Hp (y) max, Hp (y) min和Hp (y) sub可准确表征构件的受力历程。
2.3 损伤定量评估方法
通过对磁信号特征参量的提取以及特征参量随疲劳循环周次的变化特征分析结果可知, 特征参量可定量评估构件的损伤程度。采用磁场强度梯度Kmax平均值法[10], 其数据处理方式如下:
对实验过程中首先出现裂纹一侧的磁记忆信号检测通道上不同疲劳循环周次下的磁场强度梯度Kmax进行算术平均值计算:
undefined
式中:n为构件疲劳试验过程中在不同循环周次采集磁记忆信号的总次数;Kimax为第i次磁信号检测时磁场强度梯度最大值。
将在不同循环周次下经过磁信号处理所得到的磁场强度梯度Kmax与式 (1) 计算结果进行比较, 得到其比值m:
undefined
如m>1, 则构件已存在较为严重的应力集中和损伤[11]。
根据以上的定量计算方式, 对疲劳试验磁信号数据进行处理, 结果如表2所示。
由表2可知, 在不同的应力水平下, 采用磁场强度梯度Kmax平均值法进行定量计算, 得到当m>1时, 疲劳循环周次基本上接近或等于观察到裂纹萌生时的疲劳循环周次。
以表2中最大疲劳应力0.76σ0.2 (4#) 和0.58σ0.2 (5#) 为例。4#和5#试样特征参量Kmax值与循环周次定量评估计算结果如图7所示。4#试样疲劳总寿命为8002循环周次, 观察到微小疲劳裂纹的循环周次是3900次, 采用磁场强度梯度Kmax平均值法计算得到m>1时的循环周次是3900次, 与观察到微小疲劳裂纹的循环周次一致。5#试样疲劳总寿命为21670循环周次, 观察到微小疲劳裂纹的循环周次是14109次, 采用磁场强度梯度Kmax平均值法计算得到m>1时的循环周次是11000次, 较观察到的微小疲劳裂纹的循环周次早3109次, 预测误差仅为22% (=3109/14109100%) 。由以上结果可知, 疲劳试验结果很好地符合了当m>1时, 构件存在较为严重的应力集中和损伤的磁场强度梯度Kmax平均值法判定准则, 并且误差较小。因此, 可采用该方法对构件疲劳损伤程度进行定量评估。
(a) 0.76σ0.2; (b) 0.58σ0.2 (a) 0.76σ0.2; (b) 0.58σ0.2
3 结论
(1) 缺口疲劳试件经过1次循环后, 试件表面磁信号即与初始磁信号有很大差异, 磁信号曲线出现过零点。在稳定循环阶段, 磁信号随疲劳循环周次增加无显著改变, 直至疲劳裂纹萌生后, 磁信号逐渐增大, 并在断裂后发生激变, 在断口处形成正负磁极。
(2) 疲劳循环过程中试件表面磁信号减去初始磁信号后, 磁信号过零点与试件断裂位置重合, 该方法可有效判定应力集中位置。
(3) 磁信号特征参量Hp (y) max, Hp (y) min和Hp (y) sub值与应力水平存在强烈的相关性, 应力水平越大, Hp (y) sub值也越大, 而同一级应力水平下的Hp (y) sub值基本相当, 三特征参量可准确表征构件的受力历程。
(4) 磁信号特征参量Kmax, Hp (y) max, Hp (y) min和Hp (y) sub值随循环周次的增加, 均表现为三阶段变化特征, 其绝对值均随应力集中和疲劳损伤程度的加剧而逐渐增加, 参量之间存在一定的内在联系, 反映了构件应力集中和疲劳损伤程度。
(5) 磁信号特征参量K平均值法可较准确地定量评估疲劳损伤, 该方法判据为:当m (m=Kmax /Kundefined) >1, 试件存在严重的疲劳损伤。
参考文献
[1]DOUBOV, ANATOLI A.Diagnostics of metal items and equip-ment by means of metal magnetic memory[A].Proc of ChSNDT7 Conference on NDT and International Research Symposium[C].Shantou:Shantou University Press, 1999.181-187.
[2]林俊明, 林春景, 林发炳, 等.基于磁记忆效应的一种无损检测新技术[J].无损检测, 2000, 22 (7) :297-299.
[3]陈曦, 任吉林, 王伟兰, 等.地磁场中应力对磁畴组织的影响[J].失效分析与预防, 2007, 2 (1) :6-9.
[4]杜波夫.金属磁记忆法诊断管路、设备和结构[M].家魁, 张友人, 李延高, 等译.莫斯科:动力诊断公司, 2003.
[5]XING Hai-yan, WANG Ri-xin.Correlation between crack growthrate and magnetic memory signal of X45 steel[J].Key Engineer-ing Materials, 2007, 3 (4) :53-358.
[6]董世运, 徐滨士, 董丽虹, 等.金属磁记忆检测技术用于再制造毛坯寿命预测的试验研究[J].中国表面工程, 2006, 19 (5) :71-75.
[7]任吉林, 陈曦, 宋凯.金属构件磁记忆效应影响因素研究[J].无损检测, 2006, 28 (6) :292-295.
[8]任吉林, 宋凯, 邬冠华, 等.磁记忆检测技术在飞机起落架检测中的应用[J].无损检测, 2002, 24 (8) :346-351.
[9]王丹, 董世运, 徐滨士, 等.应力集中部位的金属磁记忆检测研究[J].失效分析与预防, 2007, 2 (2) :12-15.
[10]DOUBOV A A.Diagnostics of equipment and constructionsstrength with usage of magnetic memory[J].Inspection Diag-nostics, 2001, (6) :19-29.
