一種基於橫波頻譜分析的鋼構件絕對應力識別方法與流程

2023-12-10 01:58:11 3

本發明涉及鋼構件絕對應力識別方法，尤其涉及一種基於橫波頻譜分析的鋼構件絕對應力識別方法。

背景技術：

鋼構件絕對應力是鋼結構在建和運營性能評價的重要指標，採用有效可靠的手段檢測在役鋼構件絕對應力對於確保鋼結構安全具有重要意義。尤其是長期服役和經歷自然災害的鋼結構，其空間應力狀態可能發生重分布，局部構件可能產生應力集中現象，這可能導致鋼結構局部甚至整體失效。因此，研究鋼結構構件絕對應力無損檢測，對於監測/檢測鋼結構安全運營具有重要意義。

絕對應力檢測方法中，有損的方法會對被測對象造成破壞，不能用於鋼構件絕對應力檢測；無損檢測方法，如x射線法、中子衍射法、磁彈性法等，可以對鋼構件絕對應力進行檢測，但設備和操作複雜，不適用於服役鋼結構現場檢測。基於聲彈性理論的超聲波法近年來收到越來越多的關注，是具有一定前景的絕對應力檢測方法。

李祚華等人在cn201410181350.2中提出採用臨界折射縱波檢測鋼構件平均絕對應力，在cn201710118738.1中提出採用臨界折射縱波檢測鋼構件絕對應力沿構件長度分布，在cn201510600903.8中提出採用臨界折射縱波檢測鋼構件應力沿深度分布。但上述方法是基於超聲波聲時測量的方法，存在兩方面的不足，一是基於聲時的測量方法要求採樣設備採樣率高，通常在1gs/s以上；二是檢測結果受高頻噪聲影響較大。這在一定程度上限制了上述方法在複雜環境中的應用。為此，尋求一種對採樣設備採樣率要求低、且抗環境高頻噪聲幹擾的方法，對於鋼構件絕對應力識別方法的進一步推廣應用具有重要作用。

技術實現要素：

為了解決現有技術中的問題，本發明提供了一種基於橫波頻譜分析的鋼構件絕對應力識別方法，能夠實現對鋼構件絕對應力的無損檢測。

本發明提供了一種基於橫波頻譜分析的鋼構件絕對應力識別方法，通過標定橫波在在役鋼構件複製品上應力與第一特徵頻率倒數相關性係數，檢測橫波在在役鋼構件上傳播信號幅度譜曲線的第一特徵頻率值，來求解在役鋼構件絕對應力。

作為本發明的進一步改進，所述橫波由收發同體超聲橫波探頭髮射並接收。

作為本發明的進一步改進，所述收發同體超聲橫波探頭髮射橫波的偏振角與在役鋼構件軸向方向呈的奇數倍。

作為本發明的進一步改進，通過超聲脈衝發生接收器發射脈衝電信號，經收發同體超聲橫波探頭產生橫波信號，橫波信號在在役鋼構件中傳播並經反射後被收發同體超聲橫波探頭接收，回波信號輸入超聲脈衝發生接收器，並最終顯示於示波器上。

作為本發明的進一步改進，所述第一特徵頻率值通過下列方法獲得：所述收發同體超聲橫波探頭採集回波信號後，截取第一回波信號，經傅立葉變換後得到幅度譜曲線，所述幅度譜曲線上的第一個極小值點對應的頻率即為第一特徵頻率值。

作為本發明的進一步改進，所述在役鋼構件的絕對應力採用以下公式計算得到：

其中，σ為擬求解的鋼構件絕對應力值，單位是mpa；

是第一特徵頻率值，即為橫波回波幅度譜曲線上第一個極值點對應的橫坐標，單位是mhz；

κ和γ為需要擬合的參數，其中，κ的單位是mpa·mhz，γ的單位是mpa。

作為本發明的進一步改進，所述在役鋼構件複製品與所述在役鋼構件材質相同並且厚度相同。

作為本發明的進一步改進，所述方法包括以下步驟：第一步是在役鋼構件的複製，製成在役鋼構件複製品；第二步是在在役鋼構件複製品上擬合參數；第三步是超聲橫波在在役鋼構件中傳播信號的採集；第四步是在役鋼構件絕對應力的求解。

本發明的有益效果是：通過上述方案，能夠實現對在役鋼構件絕對應力的無損檢測，測試過程對數據採集系統的採樣率要求不高，受環境高頻噪聲影響不大。

附圖說明

圖1是本發明一種基於橫波頻譜分析的鋼構件絕對應力識別方法的鋼構件絕對應力識別檢測儀器布置圖。

圖2是本發明一種基於橫波頻譜分析的鋼構件絕對應力識別方法的鋼構件在零應力和400mpa應力時的回波幅度譜曲線。

圖3是本發明一種基於橫波頻譜分析的鋼構件絕對應力識別方法的橫波在鋼構件中的傳播示意圖。

圖4是本發明一種基於橫波頻譜分析的鋼構件絕對應力識別方法的鋼板a、鋼板b和鋼板c的σ與關係擬合線。

具體實施方式

下面結合附圖說明及具體實施方式對本發明作進一步說明。

如圖1至圖4所示，一種基於橫波頻譜分析的鋼構件絕對應力識別方法，通過標定橫波在在役鋼構件複製品上應力與第一特徵頻率倒數相關性係數，檢測橫波在在役鋼構件上傳播信號幅度譜曲線的第一特徵頻率值，來求解在役鋼構件絕對應力。

所述橫波由收發同體超聲橫波探頭髮射並接收，橫波探頭為收發同體探頭，應能發射並接收一定頻帶的超聲橫波信號，第一特徵頻率應在橫波頻帶範圍內。

所述收發同體超聲橫波探頭髮射橫波的偏振角與在役鋼構件軸向方向呈的奇數倍。

所述第一特徵頻率值通過下列方法獲得：收發同體超聲橫波探頭採集回波信號後，截取第一回波信號，經傅立葉變換後可以得到幅度譜曲線，幅度譜曲線上的第一個極小值點對應的頻率即為第一特徵頻率值。

對在役鋼構件絕對應力檢測前需要在相同材質和厚度的在役鋼構件複製品上進行參數擬合。

所述絕對應力是指在役鋼構件在當前狀態下的軸向應力，而非某段時間內應力的改變量。

超聲波波型選擇為橫波。本方法基於雙折射效應和聲彈性理論提出，雙折射效應是橫波特有的現象。

所述方法包括以下步驟，第一步：在役鋼構件的複製，製成在役鋼構件複製品；第二步：在在役鋼構件複製品上擬合參數；第三步：超聲橫波在在役鋼構件中傳播信號的採集；第四步：在役鋼構件絕對應力的求解。

所述在役鋼構件複製品是與在役鋼構件厚度、材質等相同的鋼構件，複製品用於檢測公式參數的標定。

如圖1所示，所述方法實施需要用到超聲脈衝發生接收器3、收發同體超聲橫波探頭2、示波器4、萬能試驗機。儀器的連接方式如圖1所示，超聲脈衝發生接收器3發射脈衝電信號，經收發同體超聲橫波探頭3產生橫波信號，橫波信號在在役鋼構件1中傳播並經反射後被橫波探頭接收，回波信號輸入超聲脈衝發生接收器3，並最終顯示於示波器4上。示波器4上會顯示多個回波信號，本方法研究鋼構件第一次反射後的回波信號，因此截取第一個回波信號進行分析。對第一個回波時域信號進行傅立葉變換，分析其幅度譜曲線變化規律。所述超聲脈衝發生接收器3應具有同時發射和接收橫波信號的功能，其接收的橫波信號應能輸出至示波器4。

橫波探頭為收發同體超聲橫波探頭2，應能發射並接收一定頻帶的超聲橫波信號，信號能量儘可能集中於橫波探頭的幅度譜曲線1mhz～10mhz的範圍內。本方法可使用中心頻率為5mhz的橫波探頭，其主要頻帶範圍為0至10mhz。

所述示波器4用於接收橫波回波信號，本方法對示波器4採用率要求不高，採樣率在100ms/s時即可達到要求，其根本原因是噪音信號一般為高頻成分，本方法研究幅度譜曲線低頻信號(0～10mhz)的變化，因此，高頻成分對檢測結果影響不大。

所述方法需要用到以下公式：

其中，σ為擬求解的鋼構件絕對應力值，單位是mpa；f1*是第一特徵頻率，即為橫波回波幅度譜曲線上第一個極值點對應的橫坐標，單位是mhz；κ和γ為需要擬合的參數，其中，κ的單位是mpa·mhz，γ的單位是mpa。本方法實施過程中，首先在複製鋼構件上擬合參數κ和γ，在此基礎上，檢測在役鋼構件回波信號的第一特徵頻率值，將第一特徵頻率值帶入上述公式即可得到在役鋼構件絕對應力值。

所述萬能試驗機用於給複製鋼構件逐級加載，用於擬合參數κ和γ的值。

測試過程中，採集超聲回波信號，截取第一回波信號，並進行傅立葉變換，得到第一回波信號幅度譜曲線，在幅度譜曲線上確定第一特徵頻率。例如，在圖2中，實現表示複製鋼構件零應力狀態下的回波幅度譜曲線，虛線表示複製鋼構件400mpa應力狀態下的回波幅度譜曲線，在400mpa應力狀態下的回波幅度譜曲線上出現了極小值點，其對應的橫坐標為f1*。信號分析過程中不對信號做濾波處理。

所述在役鋼構件包括常用的建築鋼構件，也包括由其他金屬材料加工製作的其他用途的構件。

所述絕對應力包括鋼構件服役期受環境荷載作用和自身自重引起的應力，也包括其他金屬構件的焊接殘餘應力、加載應力等。

實施例1本發明測試方法及相關原理解釋

基於橫波頻譜分析的鋼構件絕對應力識別方法的原理如下。

當被測鋼構件中存在絕對應力時，應力會引起材料的聲各向異性。當一束橫波沿著垂直於應力方向傳播時，橫波可以分解為兩個波分量，其中，偏振方向平行於應力方向的波分量和偏振方向垂直於應力方向的波分量傳播速度不同，這種現象稱為雙折射現象，是橫波特有的現象。

如圖3所示是橫波在鋼構件中傳播的示意圖，其中，橫波探頭與鋼構件的接觸點為原點o，橫波的傳播方向沿水平軸x3正方向，橫波的偏振方向與水平軸x1之間的夾角為θ，鋼構件沿x3軸方向的長度為l，鋼構件受力方向沿x2軸方向，規定鋼構件受壓應力為正、受拉應力為負。

由傅立葉分析方法可知，橫波脈衝可看作各種不同頻率的正弦波或餘弦波的疊加，是一個較為複雜的波形。橫波信號入射點的振動方程可寫成如下表達式：

式中u0——振源o的振動幅值；

ai——橫波脈衝的第i振動分量的幅值；

wi——橫波脈衝的第i振動分量的角頻率；

t——振源振動的時間；

——橫波脈衝的第i振動分量的初相位。

當鋼構件中存在沿x2軸方向的應力時，橫波會產生雙折射現象。入射橫波可分解為沿x1軸方向偏振的波分量u1和沿x2軸方向偏振的波分量u2，其表達式可寫成如下形式：

式中vij——橫波波速，其中，第一個下標表示橫波的傳播方向平行於i軸，第二個下標表示質點的偏振方向平行於j軸。

兩橫波分量傳播至鋼構件另一表面後反射，可以合成橫波回波ur(x3,t)，並被橫波探頭接收，此時接收到的原點振動方程為：

式中l——鋼構件厚度。

為了表達方便，令

將式(5)、(6)代入(4)得：

ur(t)＝g(t-δt)cos2θ+g(t)sin2θ(7)

定義u(f)、g(f)是ur(t)、g(t)的傅立葉變換，定義|u(f)|、|g(f)|為u(f)、g(f)的幅度譜，對式(11)進行傅立葉變換，並採用歐拉公式，可得：

為了便於分析，定義：

將定義為幅度譜調整函數，則式(16)可進一步簡化成：

公式(10)即為基於雙折射效應的橫波回波幅度譜理論表達式。

對式(9)進行分析，發現幅度譜調整函數取極限值時，橫波頻率和橫波偏振角的取值為：

定義幅度譜調整函數取極小值時對應的頻率f*為特徵頻率，不同的n1對應不同的特徵頻率值，將n1＝1,2,3...時對應的特徵頻率分別記作並稱為第一特徵頻率、第二特徵頻率、第三特徵頻率……。

根據聲彈性理論，在彈性範圍內，橫波在鋼材中的傳播波速受應力影響。當橫波在構件中的傳播方向垂直於應力方向時，質點的振動方向垂直於應力方向和質點的振動方向平行於應力方向的橫波波速不同。具體表達式如下：

v32——橫波波速，其中，橫波傳播方向垂直於應力方向、偏振方向平行於應力方向；

λ、μ——二階彈性常數；

m、n——三階彈性常數；

ρ——為外加應力為零時的材料密度

結合公式(13)和(14)，式(11)可變為：

式中

α——初始聲各向異性因子。

由圖2可知，由於應力的存在，改變了超聲回波幅度譜不同頻率的能量分布。由於第一特徵頻率f1*落在了探頭幅度譜能量集中頻帶範圍內，因此受力狀態下超聲回波幅度譜在f1*處變化最明顯。為了便於數據的讀取，因此n1的取值定為1。將n1＝1代入式(15)中可得到採用橫波頻譜分析方法識別鋼構件應力的理論公式為：

從式(16)可以看出，鋼構件中的應力與最小特徵頻率的倒數呈線性關係。擬合式(16)中的參數，通過測量橫波在受力鋼構件中傳播信號的第一特徵頻率值，帶入公式(16)，即可求解鋼構件應力值。

基於上述理論推導，可以總結出本方法的實施分四大步，第一步是在役鋼構件的複製；第二步是在複製構件上擬合參數；第三步是超聲橫波在在役鋼構件中傳播信號的採集；第四步是在役鋼構件絕對應力的求解。其具體實施過程如下：

第一步，在役鋼構件的複製：在役鋼結構構件一般不可拆卸，本方法實施過程中需要標定公式(16)中的參數，為此，選擇與在役鋼構件相同材質相同厚度的構件作為複製鋼構件，在複製鋼構件上進行參數標定。

第二步，在複製構件上擬合參數：按照圖1所示布置並連接儀器，橫波偏振角定為45°。首先，對複製構件從零應力狀態開始加載，每次加載後保持5min的時間，記錄橫波信號和應力數據。其次，截取超聲波信號第一回波信號進行傅立葉變換，以零應力狀態下幅度譜最大值為參照作歸一化處理，得到每個荷載下的頻譜幅值圖。再次，提取各幅度譜曲線的第一特徵頻率及對應的加載應力值，並可以得到第一特徵頻率倒數及對應的加載應力值，將數據繪製於以第一特徵頻率倒數為橫坐標、以對應加載應力值為縱坐標的坐標系中。最後，採用最小二乘法對坐標系中的數據進行線性擬合，可以得到應力與第一特徵頻率倒數的線性關係表達式，也可得到公式(16)中的參數。

第三步，超聲橫波在在役鋼構件中傳播信號的採集：將橫波探頭布置於在役鋼構件表面，採集回波信號，對信號進行處理可得到橫波在在役鋼構件中傳播時的第一特徵頻率值。

第四步，在役鋼構件絕對應力的求解：將第三步測量的橫波在在役鋼構件中傳播時的第一特徵頻率值帶入公式(16)即可得到在役鋼構件絕對應力值。

實施例2本發明基於橫波頻譜分析的鋼構件絕對應力識別方法用於鋼構件絕對應力的測試

為進一步驗證本發明方法檢測鋼構件絕對應力的精度，做了如下檢測鋼構件絕對應力的試驗和對比試驗。

65號優質結構鋼不僅可以應用於建築鋼結構承重構件，也廣泛應用於機械焊接、零件加工等方面。因此，以65號優質結構鋼為對象研究採用頻譜分析方法識別鋼構件絕對應力識別，對於研究焊接殘餘應力檢測、加載應力檢測等均具有借鑑意義。採用65號優質結構鋼製作加工了一系列鋼構件，其尺寸和材質信息如表1所示。

表1試件材質及尺寸信息

第一步，在役鋼構件的複製：將鋼板a、鋼板b和鋼板c定位在役鋼構件的複製構件，在鋼板a、鋼板b和鋼板c上進行試驗。

第二步，在複製構件上擬合參數：分別為鋼板a、鋼板b和鋼板c進行逐級加載，記錄每個荷載下幅度譜曲線第一特徵頻率和應力值，將鋼板a、鋼板b和鋼板c應力值、第一特徵頻率、第一特徵頻率倒數分別列於表2、表3和表4中。對表2、表3和表4中的應力值與第一特徵頻率倒數採用最小二乘法線性擬合，可以得到應力與第一特徵頻率倒數的線性關係表達式，如圖4所示。可以看出，三個試件的應力值與第一特徵頻率倒數呈良好的線性關係。

表2鋼板a不同荷載下的應力值、第一特徵頻率及第一特徵頻率倒數

表3鋼板b不同荷載下的應力值、第一特徵頻率及第一特徵頻率倒數

表4鋼板c不同荷載下的應力值、第一特徵頻率及第一特徵頻率倒數

第三步，超聲橫波在在役鋼構件中傳播信號的採集：在試驗機上為鋼板a、鋼板b和鋼板c分別施加一組荷載，模擬鋼構件服役狀態下的應力狀態，測試橫波信號在鋼板中的第一特徵頻率值，分別列於表5、表6和表7中。

第四步，在役鋼構件絕對應力的求解：採用本發明的方法求解施加於鋼板a、鋼板b和鋼板c的應力值，結果列於表5、表6和表7中。

表5不同荷載下鋼板a的第一特徵頻率值及採用本發明方法求解的應力值

表6不同荷載下鋼板b的第一特徵頻率值及採用本發明方法求解的應力值

表7鋼板c基於超聲波譜分析的絕對應力識別應力值

對比實驗1

在試驗機上為鋼板a、鋼板b和鋼板c分別施加一組荷載時，讀取試驗機加載力的大小，計算每次加載下構件的應力狀態，將此結果作為構件真實應力狀態。將試驗機加載時計算的應力值與採用本發明檢測的應力值進行對比，結果列於表8、表9和表10中。

表8鋼板a測試結果與應力真值對比

表9鋼板b測試結果與應力真值對比

表10鋼板c測試結果與應力真值對比

從表8、表9和表10可以看出，採用本發明測得的應力值和試驗機檢測的應力值的趨勢基本一致，每個測點的誤差均在5％以內，這說明本發明方法的有效性。

本發明提供的一種基於橫波頻譜分析的鋼構件絕對應力識別方法，能夠實現對在役鋼構件絕對應力的無損檢測，測試過程對數據採集系統的採樣率要求不高，受環境高頻噪聲影響不大，測試結果得到了驗證，能滿足實際工程精度要求。測試儀器安裝方便、成本低、易於實現。可用於對在建和已建鋼結構構件絕對應力檢測，也可用於其他金屬構件的焊接殘餘應力、加載應力檢測。

本發明方法可應用於對在建和已建鋼結構構件絕對應力檢測，也可用於其他金屬構件的焊接殘餘應力、加載應力檢測，測量結果精度較高，檢測儀器安裝、攜帶方便，成本低，易於實現。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。