基于SNF策略和DSD策略的16Mn钢焊接结构形变损伤识别评估系统

摘要

本发明公开了一种基于SNF策略和DSD策略的16Mn钢焊接结构形变损伤识别评估系统，该系统包括有多个声发射换能器、多路前置放大器、一个声发射仪和16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元；其中，16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元由SNF过滤模块、样本抽取模块、神经网络预测模块和DSD形变损伤识别模块构成。该状态识别首先采用SNF策略对多路声发射换能器采集得到的信息进行多维滤波，并采用人工神经网络方法对滤波后的信号进行训练和预测，获得16Mn钢焊接结构的形变损伤参数；然后采用DSD策略对神经网络输出结果进行判定，确定被测件焊接部位的形变损伤状态。该系统在工作状态下，能够对在役16Mn钢焊接结构的形变损伤参数进行拾取，对不同损伤状态进行识别，并对识别出的结果作出预警。

权利要求

1.一种基于SNF策略和DSD策略的16Mn钢焊接结构形变损伤识别评估系统，该系统包括有多个声发射换能器（4）、多路前置放大器（3）、一个声发射仪（2），其特征在于：还包括一个16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元（1）；所述的16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元（1）内嵌在声发射仪（2）的存储器中；

16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元（1）包括有SNF过滤模块（11）、样本抽取模块（12）、神经网络预测模块（13）和DSD形变损伤识别模块（14）；其中，SNF过滤模块（11）包括有SNF能量滤波处理模块（11A），SNF幅值滤波处理模块（11B）和SNF波形滤波处理模块（11C）；

声发射换能器（4）与前置放大器（3）为配套使用，即每一个声发射换能器（4）的输出端与一个前置放大器（3）的输入端连接，每一个前置放大器（3）的输出端连接在声发射仪（2）的信息输入接口上，该信息输入接口用于接收多路突发型放大信息fs；

声发射换能器（4），用于采集在役16Mn钢承力件焊接部位上的突发型信息Sn；

前置放大器（3），用于对接收到的突发型信息Sn进行放大40dB后成为突发型放大信息fS；

声发射仪（2），一方面用于对接收到的突发型放大信息fS经A/D转换后成为数字突发型信息fS1＝(eS,AS,AFS,KS,DS)输出给16Mn钢焊接结构无损检测单元（1）；另一方面对接收到的焊接结构形变损伤识别信息W＝(O′ID,S,m(Bi))输出给显示屏（2A）进行实时显示；

所述数字突发型信息fS1＝(eS,AS,CS,DS,VS,KS)中eS表示能量、AS表示测量幅度、CS表示振铃计数、VS表示振铃计数率、KS表示波形峰度、DS表示持续时间；

所述的SNF过滤模块（11）采用SNF策略对接收到的数字突发型信息fS1＝(eS,AS,AFS,KS,DS)进行滤波，得到声发射形变损伤信息fS2＝(e,A,AF,K,D)；

所述声发射疲劳损伤信息fS2＝(e,A,C,D,V,K)中e表示去噪后的能量、A表示去噪后的测量幅度、C表示去噪后的振铃计数、V表示去噪后的振铃计数率、K表示去噪后的波形峰度、D表示去噪后的持续时间；

所述的样本抽取模块（12）从声发射形变损伤信息fS2＝(e,A,AF,K,D)中选取训练样本IID,s＝[EID,tp,s AID,tp,s CID,tp,s DID,tp,s VID,tp,s KID,tp,s]和待诊断样本I′ID,s＝[EID,tq,s AID,tq,s CID,tq,s DID,tq,s VID,tq,s KID,tq,s]，并将其输入至神经网络预测模块（13）中；

所述训练样本IID,s＝[EID,tp,s AID,tp,s CID,tp,s DID,tp,s VID,tp,s KID,tp,s]中EID,tp,s表示训练累积能量、AID,tp,s表示测量幅度、CID,tp,s表示训练累积振铃计数、DID,tp,s表示训练累积持续时间、KID,tp,s表示波形峰度、VID,tp,s表示振铃计数率、ID表示声发射换能器的代码，tp表示训练样本的选取时间，s表示声发射换能器的类型；

所述待诊断样本I′ID,s＝[EID,tq,s AID,tq,s CID,tq,s DID,tq,s VID,tq,s KID,tq,s]中EID,tq,s表示诊断累积能量、AID,tq,s表示诊断累积测量幅度、CID,tq,s表示诊断累积振铃计数、DID,tq,s表示诊断累积持续时间、KID,tq,s表示波形峰度、VID,tq,s表示振铃计数率；所述的神经网络预测模块（13）对IID,s＝[EID,tp,s AID,tp,s CID,tp,s DID,tp,s VID,tp,s KID,tp,s]和I′ID，s＝[EID,tq,s AID,tq,s CID,tq,s DID,tq,s VID,tq,s KID，tq，s]进行训练得到待诊断样本输出层信息O′ID,s=[δ′ID,tp,s ε′ID，tp，s]；δ′ID，tp，s表示拟合得到的待诊断样本采集时的材料所受的应力，ε′ID，tp，s表示拟合得到的待诊断样本采集时材料的应变；

所述的DSD形变损伤识别模块（14）对O′ID,s=[δ′ID,tp，s ε′ID，tp，s]进行解析判断后输出焊接结构形变损伤识别信息W＝(O′ID,s,m(Bi))，m(Bi)表示识别诊断结果，该W＝(O′ID,s,m(Bi))一方面回馈给声发射仪（2），另一方面输出给报警单元（5）进行显示。

2.根据权利要求1所述的基于SNF策略和DSD策略的16Mn钢焊接结构形变损伤识别评估系统，其特征在于：在SNF过滤模块（11）中采用的SNF策略对采集获得的信息进行了去噪处理；在SNF能量滤波处理模块（11A）中得到能量滤波信息fSE＝(eS＞1,AS,AFS,KS,DS)，fSE即能量大于1的声发射信号集合；在SNF幅值滤波处理模块（11B）中得到幅值滤波信息fSA＝(eS,AS＞30dB,AFS,KS,DS)，fSA即幅值大于30dB的声发射信号集合；在SNF波形滤波处理模块（11C）中得到波形滤波信息fSW∈(100kHz,400kHz)，fSW即波形频率在100kHz到400kHz的声发射信号集合；则SNF过滤模块（11）输出的声发射形变损伤信息fS2＝(e,A,AF,K,D)＝fSE∩fSA∩fSW。

3.根据权利要求1所述的基于SNF策略和DSD策略的16Mn钢焊接结构形变损伤识别评估系统，其特征在于：所述的样本抽取模块（12）从声发射形变损伤信息fS2＝(e,A,AF,K,D)中选取样本集进行训练和诊断，具体样本抽取步骤为：

第一步：按时间先后顺序先将声发射形变损伤信息fS2＝(e,A,AF,K,D)中的N个样本进行编号；则有，第一个样本编号记为F1＝(e1,A1,AF1,K1,D1)，第二个样本编号记为F2＝(e2,A2,AF2,K2,D2)，以此类推第N个样本编号记为FN＝(eN,AN,AFN,KN,DN)；

第二步：设定分段间隔 对所述的F1＝(e1,A1,AF1,K1,D1)、F2＝(e2,A2,AF2,K2,D2)、……、FN＝(eN,AN,AFN,KN,DN)编号进行分段，则有第一段[F1，F2，F3，…FX]，第二段[FX+1，FX+2，FX+3，…F2X]，以及类推到最后一段[FN-X+1，FN-X+2，FN-X+3，…FN]；

第三步：（A）在第一段[F1，F2，F3，…FX]中用随机抽样方法随机抽取一个个体；

（B）以间隔X在第二段[FX+1，FX+2，FX+3，…F2X]中抽取一个个体；

（C）以此类推，以间隔X在最后一段[FN-X+1，FN-X+2，FN-X+3，…FN]中抽取一个个体；

按样本抽取步骤得到训练样本集合IID,s＝[eID，tp，s AID，tp，s AFID，tp，s KID，tp，s DID，tp，s]；然后去除训练样本集合后再按样本抽取步骤抽样得到待诊断样本集合I′ID,s＝[eID,tq,s AID,tq,s AFID,tq,s KID,tq,s DID,tq,s]。

4.根据权利要求1所述的基于SNF策略和DSD策略的16Mn钢焊接结构形变损伤识别评估系统，其特征在于：在神经网络预测模块（13）中采用了BP神经网络学习算法进行模型训练；其训练步骤如下：

训练步骤一，将声发射仪（2）接收的在采集时间T内所有的声发射形变损伤信息进行存储，即存储的是fS2＝(e,A,AF,K,D)信息，或称为原始数据信息；

训练步骤二，选取训练样本集合中的声发射形变损伤信息进行累积处理，得到训练累积能量EID，tp，s、测量幅度AID，tp，s、训练累积平均频率AFID，tp，s、训练累积持续时间DID，tp，s和波形峰度KID，tp，s；该eID，tp，s、AID，tp，s、AFID，tp，s、KID，tp，s和DID，tp，s作为BP神经网络学习算法中的训练样本输入层信息，该训练样本输入层信息采用集合形式表达为IID,s＝[eID，tp，s AID，tp，s AFID，tp，s KID，tp，s DID，tp，s]；

训练步骤三，对训练步骤二获取的训练样本输入层信息IID,s与训练样本隐含层MID,s、训练样本输出层信息OID,s构建出针对在役16Mn钢焊接结构的损伤度标志模型，该损伤度标志模型表达形式为Dg＝{IID,s,MID,s,OID,s}；

训练步骤四，选取诊断样本集合中的声发射形变损伤信息进行累积处理，得到诊断累积能量eID,tq,s、诊断累积测量幅度AID,tq,s、诊断累积平均频率AFID,tq,s、诊断累积持续时间DID,tq,s和波形峰度KID,tq,s；该eID,tq,s、AID,tq,s、AFID,tq,s、KID,tq,s和DID,tq,s作为BP神经网络学习算法中的待诊断样本输入层信息，该待诊断样本输入层信息采用集合形式表达为I′ID,s＝[eID,tq,s AID,tq,s AFID,tq,s KID,tq,s DID,tq,s]；

训练步骤五，将训练步骤四获取的待诊断样本输入层信息I′ID,s代入训练步骤三获得的损伤度标志模型Dg中，应用BP神经网络学习算法得到待诊断样本输出层信息O′ID,s。

5.根据权利要求4所述的基于SNF策略和DSD策略的16Mn钢焊接结构形变损伤识别评估系统，其特征在于：所述的训练步骤三中的训练样本输出层信息OID,s=[δID，tp,s εID，tp，s]，包含表征材料形变损伤程度的2个形变试验的参量，δID，tp，s表示训练样本实际测得的应力，εID，tp，s表示训练样本采集时实际测得的应变。

6.根据权利要求1所述的基于SNF策略和DSD策略的16Mn钢焊接结构形变损伤识别评估系统，其特征在于：在DSD形变损伤状态判断模块（14）将神经网络模型得到的待诊断样本输出层信息O′ID,s采用DSD策略进行处理，得到识别诊断结果m(Bi)；

DSD策略识别方法如下：

当O′ID,s=[δ′ID，tp，s ε′ID，tp，s]中δ′ID，tp，s＜300MPa和ε′ID，tp，s＜0.02时，即焊接结构处于弹塑性损伤状态m(B1)；

当O′ID,s=[δ′ID，tp，s ε′ID，tp，s]中300MPa≤δ′ID，tp，s≤340MPa和0.02≤ε′ID，tp，s≤0.05时，即焊接结构处于屈服损伤状态m(B2)；

当O′ID,s=[δ′ID，tp，sε′ID，tp，s]中δ′ID，tp，s＞340MPa和ε′ID，tp，s＞0.05时，即焊接结构处于应变硬化损伤状态m(B3)；

将焊接结构处于弹塑性损伤状态m(B1)、焊接结构处于屈服损伤状态m(B2)和焊接结构处于应变硬化损伤状态m(B3)称为识别诊断结果m(Bi)。

说明书

基于SNF策略和DSD策略的16Mn钢焊接结构形变损伤识别

评估系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种对在役16Mn钢焊接结构服役期间的形变损伤进行识别的方法。更特别地说，是指一种基于SNF滤波策略和DSD判断策略，采用声发射技术及神经网络方
法，对港口大型机械设备中在役16Mn钢焊接结构的形变损伤识别及定量评估的系统。

背景技术

[0002] 港口大型机械设备中的岸边设备：如装船机、卸船机、抓斗机，常应用16锰钢作为关键承力件。岸边设备在使用一段时间后，作为主要承力件的16锰钢的损伤状态对整个岸
边设备的使用寿命将造成重要影响。

[0003] 16Mn钢(16锰钢)是结合我国资源情况发展起来的一种低合金钢，已被广泛使用。16Mn钢承力件在服役一定的时间后，时常会发生一些失效事故，而焊接部位的损伤是造成
其失效的主要原因。16Mn钢承力件中的焊接结构由于其组织，性能的不均匀性以及焊接应
力，焊接缺陷的存在，成为最容易产生损伤的薄弱部位。而形变损伤是造成其失效的主要原
因，为此要对其损伤状态作出有效的识别，及时、正确地评价16Mn钢焊接结构的形变损伤
程度，为其安全运行及寿命预测提供依据。

[0004] 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，不同组织材料在受载荷作用时会发生不同
程度的损伤，而损伤状态的不同发出的声发射信号特征也将不同。例如在受静形变载荷作
用时发生的弹塑性损伤、屈服损伤等。这些不同损伤状态的声发射波形信号幅度、相位、频
率等参数都会各有区别。因此可以利用声发射技术作为监测16Mn钢焊接结构形变损伤状
态的工具。

[0005] 神经网络是一种模拟人思维的一个非线性系统。BP神经网络学习算法可以描述为：首先标准化训练样本，初始化权值、阈值，然后输入训练样本，对每个样本计算其输出状
态，得到其误差，并根据误差反向传播调整网络各层的权值与阈值，如此反复调整直到网络
误差满足设置的条件为止。样本训练完成之后，输入检验样本，若此时网络误差小于检验误
差，则该网络可以用于实际损伤的识别，预测和评估。

[0006] 随着现代工业日益向大规模、高效率发展，作为港口重要物流装备的大型岸边起重机械，具有以下几个特点：

[0007] (1)设备老，有很多大型起重机是60年代至70年代我国自行设计制造或从东欧进口，还有少数是从美、日等国进口的二手设备，按设计寿命20～25年考虑，很多设备也已进
入服役后期或超期服役阶段；

[0008] (2)任务重，随着生产规模的扩大，以及起重机更新的滞后，许多起重机的工作日趋繁重，超载的情况也时有发生；

[0009] (3)目前的损伤检测方法不成熟，超声波检测和磁粉检测等方法对起重机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；

[0010] (4)预警评估系统不完善，目前应用的分析判别技术还不能对起重机承力件焊接结构形变的损伤做出准确，及时，全面的预警和安全评估，尤其是我国港口大型机械设备安
全事故时有发生，其中，焊接结构的形变损伤是港口大型岸边起重装备承力件主要的损伤
模式之一。

[0011] 因此，为确保起重机安全可靠的运行，须对承力件的焊接部位进行检测、判断焊接部位的损伤状态，从而进行安全评估。

发明内容

[0012] 为了减少大型承力件的焊接部位在使用过程中突发断裂造成的人员伤害、设备损失和经济损失，本发明提出一种基于SNF策略和DSD策略的神经网络方法来预测在役16Mn
钢焊接结构的形变损伤参数，并对形变损伤状态进行判断的系统。该状态识别首先采用SNF
策略对多路声发射换能器采集得到的信息进行多维滤波，并采用人工神经网络方法对滤波
后的信号进行训练和预测，获得16Mn钢焊接结构的形变损伤参数；然后采用DSD策略对神
经网络输出结果进行判定，确定被测件焊接部位的形变损伤状态。该系统在工作状态下，能
够对在役16Mn钢焊接结构的形变损伤参数进行拾取，对不同损伤状态进行识别，并对识别
出的结果作出预警。

[0013] 本发明是一种基于SNF策略和DSD策略的16Mn钢焊接结构形变损伤识别评估系统，该系统包括有多个声发射换能器(4)、多路前置放大器(3)、一个声发射仪(2)和16Mn
钢焊接结构形变损伤无损检测单元(1)；

[0014] 16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元(1)包括有SNF过滤模块(11)、样本抽取模块(12)、神经网络预测模块(13)和DSD形变损伤识别模块(14)；其中，SNF过滤模块
(11)包括有SNF能量滤波处理模块(11A)，SNF幅值滤波处理模块(11B)和SNF波形滤波
处理模块(11C)。

[0015] 声发射换能器(4)与前置放大器(3)为配套使用，即每一个声发射换能器(4)的输出端与一个前置放大器(3)的输入端连接，每一个前置放大器(3)的输出端连接在声发
射仪(2)的信息输入接口上，该信息输入接口用于接收多路突发型放大信息fS；16Mn钢焊
接结构形变损伤无损检测单元(1)内嵌在声发射仪(2)的存储器中；

[0016] 声发射换能器(4)，用于采集在役16Mn钢承力件焊接部位上的突发型信息Sn；

[0017] 前置放大器(3)，用于对接收到的突发型信息Sn进行放大40dB后成为突发型放大信息fS；

[0018] 声发射仪(2)，一方面用于对接收到的突发型放大信息fS经A/D转换后成为数字突发型信息fS1＝(eS，AS，AFS，KS，DS)输出给16Mn钢焊接结构无损检测单元(1)；另一方面
对接收到的焊接结构形变损伤识别信息W＝(O′ID，s，m(Bi))输出给显示屏(2A)进行实时
显示；

[0019] 16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元(1)的SNF过滤模块(11)采用SNF策略对接收到的数字突发型信息fS1＝(eS，AS，AFS，KS，DS)进行滤波，得到声发射形变损伤信息
fS2＝(e，A，AF，K，D)。

[0020] 16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元(1)的样本抽取模块模型(12)从声发射形变损伤信息fS2＝(e，A，AF，K，D)中选取训练样本IID，s＝[eID，tp，s AID，tp，s AFID，tp，s KID，tp，s DID，tp，s]和待诊断样本I′ID，s＝[eID，tq，s AID，tq，s AFID，tq，s KID，tq，s DID，tq，s]，并将其输入至神经网络预测模块(13)中；

[0021] 16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元(1)的神经网络预测模块(13)对IID，s＝[eID，tp，s AID，tp，s AFID，tp，s KID，tp，s DID，tp，s]和I′ID，s＝[eID，tq，s AID，tq，s AFID，tq，s KID，tq，s DID，tq，s]进行训练得到待诊断样本输出层信息O′ID，s＝[δ′ID，tp，s ε′ID，tp，s]；

[0022] 16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元(1)的DSD形变损伤识别模块(14)对Q′ID，s＝[δ′ID，tp，s ε′ID，tp，s]进行解析判断后输出焊接结构形变损伤识别信息W＝
(O′ID，s，m(Bi))，该W＝(O′ID，s，m(Bi))一方面回馈给声发射仪(2)，另一方面输出给报警
单元(5)进行显示。

[0023] 本发明是一种依据声发射信息，采用神经网络、SNF滤波策略和DSD判断策略对形变损伤参数进行预测，识别诊断出16Mn钢焊接结构最终的损伤状态，该识别系统的优点在
于：

[0024] (A)采用声发射仪中的采集卡对使用过一段时间的16Mn钢承力件焊接结构上的声发射换能器的声发射信息(能量eS、测量幅度AS、平均频率AFS、波形峰度KS、持续时间DS)
进行采集，并将该相关信息作为声发射神经网络的识别系统的信息输入，使得本发明在声
发射检测过程中，能通过声发射仪对声发射换能器信息进行采集，同时分析声发射信息参
数和波形的变化，识别出是损伤信息，还是噪声信息。

[0025] (B)综合利用了声发射信号的参数信息和波形信息，并根据SNF策略进行去噪处理，增大了诊断结果的可靠性与准确性，提高了诊断系统的适应能力。

[0026] (C)神经网络方法为基础的识别诊断系统，具有一定的容错能力，能满足钢结构复杂系统损伤诊断的要求。

[0027] (D)所选取的声发射参数和波形信息能够很好的表征并识别16Mn钢焊接结构的形变损伤程度和损伤状态，因此能够更好的对其损伤进行识别和评估。

附图说明

[0028] 图1是基于SNF策略和DSD策略的16Mn钢焊接结构形变损伤评估系统框图。

[0029] 图2是本发明16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元框图。

具体实施方式

[0030] 下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

[0031] 参见图1、图2所示，对于16Mn钢承力件焊接部位(或称焊接结构)的无损检测系统一般由多个声发射换能器4(也称传感器)、多路前置放大器3、一个声发射仪2和一个
16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元1组成，其中，16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测
单元1由SNF过滤模块11、样本抽取模块12、神经网络预测模块13和DSD形变损伤识别模
块14构成。所述的SNF过滤模块11中包括有SNF能量滤波处理模块11A、SNF幅值滤波
处理模块11B和SNF波形滤波处理模块11C。16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元1采
用Matlab语言(版本7.0)开发。声发射换能器4与前置放大器3为配套使用，即每一个
声发射换能器4的输出端与一个前置放大器3的输入端连接，每一个前置放大器3的输出
端连接在声发射仪2的信息输入接口上，该信息输入接口用于接收多路突发型放大信息fS。
16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元1内嵌在声发射仪2的存储器中。在本发明中，声
发射仪2选取美国PAC公司生产的DiSP声发射系统，声发射换能器4选取美国PAC公司生
产的CZ系列或者WD系列声发射换能器，多路前置放大器3选取美国PAC公司生产的2/4/6
型前置放大器。

[0032] (一)声发射换能器4

[0033] 声发射换能器4，用于采集在役16Mn钢承力件上的突发型信息Sn。在本发明中，对于声发射换能器4所需设置的个数以其传感范围为40cm～100cm/个。

[0034] (二)前置放大器3

[0035] 前置放大器3，用于对接收到的突发型信息Sn进行放大40dB后成为突发型放大信息fS。

[0036] (三)声发射仪2

[0037] 声发射仪2，一方面用于对接收到的突发型放大信息fS经A/D转换后成为数字突发型信息fS1＝(eS，AS，AFS，KS，DS)输出给16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元1；另一
方面对接收到的焊接结构形变损伤识别信息W＝(O′ID，s，m(Bi))输出给显示屏2A进行实
时显示。本发明仅用了能量eS、测量幅度AS、平均频率AFS、波形峰度KS和持续时间DS五个
参数。声发射仪2中自备有A/D转换器。在本发明中，声发射仪作为焊接结构形变损伤监
测器件。在监测获得的信息中，平均频率AFS和波形峰度KS与焊接结构形变损伤中的应力
应变情况以及损伤状态具有更好的相关性，能够更好的表征焊接结构形变损伤信息，使用
这些参数能综合利用声发射信号的参数信息和波形信息，增大了诊断结果的可靠性与准确
性。

[0038] (四)SNF过滤模块11

[0039] 在本发明中，利用声发射换能器4在进行信息采集时，不但将损伤信息进行采集，同时也将噪声(环境噪声、电磁噪声、机械摩擦噪声)进行采集(即eS，AS，CS，KS，DS信息中
是包括有噪声的)，因此，在本发明中，采用了SNF策略对采集获得的信息进行了去噪处理。
在SNF能量滤波处理模块11A中得到能量滤波信息fSE＝(eS＞1，AS，AFS，KS，DS)，fSE即能
量大于1的声发射信号集合；在SNF幅值滤波处理模块11B中得到幅值滤波信息fSA＝(eS，
AS＞30dB，AFS，KS，DS)，fSA即幅值大于30dB的声发射信号集合；在SNF波形滤波处理模块
11C中得到波形滤波信息fSW∈(100kHz，400kHz)，fSW即波形频率在100kHz到400kHz的声
发射信号集合。则SNF过滤模块11输出的声发射形变损伤信息fS2＝(e，A，AF，K，D)＝
fSE∩fSA∩fSW。

[0040] (五)样本抽取模块12

[0041] 16Mn钢焊接结构形变损伤无损检测单元1的样本抽取模块12，从声发射形变损伤信息fS2＝(e，A，AF，K，D)中选取合适的样本集合进行训练和诊断，具体样本抽取步骤为：

[0042] 第一步：按时间先后顺序先将声发射形变损伤信息fS2＝(e，A，AF，K，D)中的N个样本进行编号；则有，第一个样本编号记为F1＝(e1，A1，AF1，K1，D1)，第二个样本编号记为F2
＝(e2，A2，AF2，K2，D2)，以此类推第N个样本编号记为FN＝(eN，AN，AFN，KN，DN)。

[0043] 第二步：设定分段间隔 对所述的F1＝(e1，A1，AF1，K1，D1)、F2＝(e2，A2，AF2，K2，D2)、......、FN＝(eN，AN，AFN，KN，DN)编号进行分段，则有第一段[F1，F2，
F3，...FX]，第二段[FX+1，FX+2，FX+3，...F2X]，以及类推到最后一段[FN-X+1，FN-X+2，FN-X+3，...FN]。

[0044] 第三步：(A)在第一段[F1，F2，F3，...FX]中用随机抽样方法随机抽取一个个体；

[0045] (B)以间隔X在第二段[FX+1，FX+2，FX+3，...F2X]中抽取一个个体；

[0046] (C)以此类推，以间隔X在最后一段[FN-X+1，FN-X+2，FN-X+3，...FN]中抽取一个个体；

[0047] 在本发明中，步骤三中的(A)步、(B)步和(C)步是在每一段中所抽出的个体将作为抽样样本。

[0048] 在本发明中，按样本抽取步骤得到训练样本集合IID，s＝[eID，tp，s AID，tp，s AFID，tp，s KID，tp，s DID，tp，s]；然后去除训练样本集合后再按样本抽取步骤抽样得到待诊断样本集合I′ID，s＝[eID，tq，s AID，tq，s AFID，tq，s KID，tq，s DID，tq，s]。

[0049] (六)神经网络预测模块13

[0050] 为了获得在役16Mn钢焊接结构的损伤度标志模型，本发明在神经网络预测模块13中采用了BP神经网络学习算法进行模型训练。其训练步骤如下：

[0051] 训练步骤一，将声发射仪2接收的在采集时间T内所有的声发射形变损伤信息进行存储，即存储的是fS2＝(e，A，AF，K，D)信息，或称为原始数据信息；

[0052] 训练步骤二，选取训练样本集合中的声发射形变损伤信息进行累积处理，得到训练累积能量EID，tp，s、测量幅度AID，tp，s、训练累积平均频率AFID，tp，s、训练累积持续时间DID，tp，s和波形峰度KID，tp，s；该eID，tp，s、AID，tp，s、AFID，tp，s、KID，tp，s和DID，tp，s作为BP神经网络学习算法中的训练样本输入层信息，该训练样本输入层信息采用集合形式表达为IID，s＝[eID，tp，s AID，
tp，s AFID，tp，s KID，tp，s DID，tp，s]；

[0053] 训练步骤三，对训练步骤二获取的训练样本输入层信息IID，s与训练样本隐含层MID，s、训练样本输出层信息OID，s构建出针对在役16Mn钢焊接结构的损伤度标志模型，该损
伤度标志模型表达形式为Dg＝{IID，s，MID，s OID，s}；

[0054] 训练步骤四，选取诊断样本集合中的声发射形变损伤信息进行累积处理，得到诊断累积能量eID，tq，s、诊断累积测量幅度AID，tq，s、诊断累积平均频率AFID，tq，s、诊断累积持续时
间DID，tq，s和波形峰度KID，tq，s；该eID，tq，s、AID，tq，s、AFID，tq，s、KID，tq，s和DID，tq，s作为BP神经网络学习算法中的待诊断样本输入层信息，该待诊断样本输入层信息采用集合形式表达为I′ID，s
＝[eID，tq，s AID，tq，s AFID，tq，s KID，tq，s DID，tq，s]；

[0055] 训练步骤五，将训练步骤四获取的待诊断样本输入层信息I′ID，s代入训练步骤三获得的损伤度标志模型Dg中，应用BP神经网络学习算法得到待诊断样本输出层信息O′ID，
s；

[0056] 在本发明中，训练步骤二中的训练样本输入层信息IID，s＝[eID，tp，s AID，tp，s AFID，tp，s KID，tp，s DID，tp，s]中各字母的物理意义为：

[0057] eID，tp，s表示训练累积能量，

[0058] AID，tp，s表示训练累积测量幅度，

[0059] AFID，tp，s表示训练累积平均频率，

[0060] KID，tp，s表示训练样本波形峰度，

[0061] DID，tp，s表示训练累积持续时间，

[0062] ID表示声发射换能器的代码，

[0063] tp表示训练样本的选取时间，

[0064] s表示声发射换能器的类型。

[0065] 训练样本输入层信息IID，s中的5个元素即为5个节点。

[0066] 在本发明中，训练步骤三中的训练样本隐含层MID，s＝2×5+1＝11，即训练样本隐含层MID，s的节点个数为IID，s的节点个数的二倍加一。

[0067] 在本发明中，训练步骤三中的训练样本输出层信息OID，s＝[δID，tp，s εID，tp，s]，包含表征材料形变损伤程度的2个形变试验的参量，δID，tp，s表示训练样本实际测得的应力，
εID，tp，s表示训练样本采集时实际测得的应变，即为2个节点。

[0068] 在本发明中，训练步骤四中的待诊断样本输入层信息I′ID，s＝[eID，tq，s AID，tq，sAFID，tq，s KID，tq，s DID，tq，s]中各字母的物理意义为：

[0069] eID，tq，s表示诊断累积能量，

[0070] AID，tq，s表示诊断累积测量幅度，

[0071] AFID，tq，s表示诊断累积平均频率，

[0072] KID，tq，s表示表示诊断样本波形峰度，

[0073] DID，tq，s表示累积偶数持续时间，

[0074] ID表示声发射换能器的代码，

[0075] tq表示在待诊断样本的选取时间，

[0076] s表示声发射换能器的类型。

[0077] 在本发明中，训练步骤五中的待诊断样本输出层信息O′ID，s＝[δ′ID，tp，s ε′ID，tp，s]，其中：包含表征材料形变损伤程度的2个参量，δ′ID，tp，s表示拟合得到的待诊断样本
采集时的材料所受的应力，ε′ID，tp，s表示拟合得到的待诊断样本采集时材料的应变。

[0078] (七)DSD形变损伤识别模块14

[0079] DSD形变损伤状态判断模块14将神经网络模型得到的待诊断样本输出层信息O′ID，s采用DSD(Damage State Determination)策略进行处理，得到识别诊断结果m(Bi)。

[0080] DSD策略识别方法如下：

[0081] 当O′ID，s＝[δ′ID，tp，s ε′ID，tp，s]中δ′ID，tp，s＜300MPa和ε′ID，tp，s＜0.02时，即焊接结构处于弹塑性损伤状态m(B1)；

[0082] 当O′ID，s ＝[δ′ID，tp，s ε′ID，tp，s]中300MPa≤δ′ID，tp，s≤340MPa和0.02≤ε′ID，tp，s≤0.05时，即焊接结构处于屈服损伤状态m(B2)；

[0083] 当O′ID，s＝[δ′ID，tp，s ε′ID，tp，s]中δ′ID，tp，s＞340MPa和ε′ID，tp，s＞0.05时，即焊接结构处于应变硬化损伤状态m(B3)。

[0084] 在本发明中，将焊接结构处于弹塑性损伤状态m(B1)、焊接结构处于屈服损伤状态m(B2)和焊接结构处于应变硬化损伤状态m(B3)称为识别诊断结果m(Bi)，识别诊断结果
m(Bi)与诊断样本输出层信息O′ID，s 共同作为焊接结构形变损伤识别信息W＝(O′ID，s，
m(Bi))输出到报警单元5以及显示屏2A。

[0085] 在16Mn钢焊接结构形变损伤状态模式中包括有：弹塑性损伤状态m(B1)，屈服损伤状态m(B2)，应变硬化损伤状态m(B3)。在役16Mn钢焊接结构一般在弹塑性损伤状态m(B1)
下工作，当处于屈服损伤状态m(B2)以及应变硬化损伤状态m(B3)之一时，该焊接结构损伤
比较严重，使用者应当对焊接结构进行实时重点检测、监测或者更换，因此对焊接结构进行
无损检测可以预防和减少事故的发生，以减少突发断裂造成的人员伤害、设备损失和经济
损失。

[0086] 实施例1：对40t(吨)轨道式起重机的静载承力件焊接结构进行声发射检测。

[0087] 静载承力件焊接结构：悬臂有效伸度：5000mm，承力件所用的16Mn钢母材成分如表1所示。检测焊接部位使用埋弧焊两次成型，焊条牌号为E5016，焊丝牌号为H08A，焊剂
为HT431，电流大小650A，电压大小38V，所使用的焊机为ZX5-1000。

[0088] 表1承力件所用的16Mn钢成分

[0089]成分 C Mn Si P S Ca
质量百分比含量(％) 0.16 1.42 0.31 0.022 0.033 0.10

[0090] 检测用设备有：(A)两个R15窄频声发射换能器(PAC公司的CZ系列，中心频率150kHz)。

[0091] (B)两个个PAC公司的2/4/6型前置放大器。

[0092] (C)声发射仪为美国PAC公司全数字式16通道DiSP声发射系统。声发射仪检测时的门槛值40dB，声发射峰值定义时间PDT为300μs，声发射撞击限定时间HDT为600μs，
声发射撞击闭锁时间HLT为1000μs。

[0093] 在16Mn钢焊接结构的损伤度标志模型中，部分诊断焊接结构形变损伤识别信息结果如表2所示。

[0094] 表2部分焊接结构形变损伤识别信息

[0095]

[0096] 诊断结果显示该焊接构件处于弹塑性损伤阶段，因此使用较为安全，并且有相应应力应变数据作为参考，其识别结果与实际构件的应力应变检测基本吻合。由此可见，本发
明可以对16Mn钢焊接结构形变损伤过程中的应力δ′ID，tp，s，应变ε′ID，tp，s及损伤状态
m(Bi)进行识别和诊断。

[0097] 本发明采用SNF策略和DSD策略，基于声发射和神经网络模型对16Mn钢焊接结构形变损伤参数进行预测，建立了16Mn钢焊接结构形变损伤识别诊断系统：首先采用SNF策
略对多路声发射换能器采集得到的信息进行多维滤波，并采用人工神经网络方法对滤波后
的信号进行训练和预测，获得16Mn钢焊接结构的形变损伤参数；然后采用DSD策略对神经
网络输出结果进行判定，确定被测件的形变损伤状态。利用该模型，可对16Mn钢焊接结构
过程中的损伤状态进行识别、诊断，进而对其可靠运行提供依据。