一种基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法

摘要

本发明提供了一种基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法，通过标定横波在在役钢构件复制品上应力与第一特征频率倒数相关性系数，检测横波在在役钢构件上传播信号幅度谱曲线的第一特征频率值，来求解在役钢构件绝对应力。本发明的有益效果是：能够实现对在役钢构件绝对应力的无损检测，测试过程对数据采集系统的采样率要求不高，受环境高频噪声影响不大。

权利要求

1.一种基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法，其特征在于：通过标定横波在在役钢构件复制品上应力与第一特征频率倒数相关性系数，检测横波在在役钢构件上传播信号幅度谱曲线的第一特征频率值，来求解在役钢构件绝对应力；

其中，

所述在役钢构件的绝对应力采用以下公式计算得到：

其中，σ为拟求解的钢构件绝对应力值，单位是MPa；

f1*是第一特征频率值，即为横波回波幅度谱曲线上第一个极值点对应的横坐标，单位是MHz；

κ和γ为需要拟合的参数，其中，κ的单位是MPa·MHz，γ的单位是MPa。

2.根据权利要求1所述的基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法，其特征在于：所述横波由收发同体超声横波探头发射并接收。

3.根据权利要求2所述的基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法，其特征在于：所述收发同体超声横波探头发射横波的偏振角与在役钢构件轴向方向呈 的奇数倍。

4.根据权利要求2所述的基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法，其特征在于：通过超声脉冲发生接收器发射脉冲电信号，经收发同体超声横波探头产生横波信号，横波信号在在役钢构件中传播并经反射后被收发同体超声横波探头接收，回波信号输入超声脉冲发生接收器，并最终显示于示波器上。

5.根据权利要求2所述的基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法，其特征在于，所述第一特征频率值通过下列方法获得：所述收发同体超声横波探头采集回波信号后，截取第一回波信号，经傅里叶变换后得到幅度谱曲线，所述幅度谱曲线上的第一个极小值点对应的频率即为第一特征频率值。

6.根据权利要求1所述的基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法，其特征在于：所述在役钢构件复制品与所述在役钢构件材质相同并且厚度相同。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：第一步是在役钢构件的复制，制成在役钢构件复制品；第二步是在在役钢构件复制品上拟合参数；第三步是超声横波在在役钢构件中传播信号的采集；第四步是在役钢构件绝对应力的求解。

说明书

一种基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法

技术领域

[0001] 本发明涉及钢构件绝对应力识别方法，尤其涉及一种基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法。

背景技术

[0002] 钢构件绝对应力是钢结构在建和运营性能评价的重要指标，采用有效可靠的手段检测在役钢构件绝对应力对于确保钢结构安全具有重要意义。尤其是长期服役和经历自然灾害的钢结构，其空间应力状态可能发生重分布，局部构件可能产生应力集中现象，这可能导致钢结构局部甚至整体失效。因此，研究钢结构构件绝对应力无损检测，对于监测/检测钢结构安全运营具有重要意义。

[0003] 绝对应力检测方法中，有损的方法会对被测对象造成破坏，不能用于钢构件绝对应力检测；无损检测方法，如X射线法、中子衍射法、磁弹性法等，可以对钢构件绝对应力进行检测，但设备和操作复杂，不适用于服役钢结构现场检测。基于声弹性理论的超声波法近年来收到越来越多的关注，是具有一定前景的绝对应力检测方法。

[0004] 李祚华等人在CN 201410181350.2中提出采用临界折射纵波检测钢构件平均绝对应力，在CN 201710118738.1中提出采用临界折射纵波检测钢构件绝对应力沿构件长度分布，在CN 201510600903.8中提出采用临界折射纵波检测钢构件应力沿深度分布。但上述方法是基于超声波声时测量的方法，存在两方面的不足，一是基于声时的测量方法要求采样设备采样率高，通常在1GS/s以上；二是检测结果受高频噪声影响较大。这在一定程度上限制了上述方法在复杂环境中的应用。为此，寻求一种对采样设备采样率要求低、且抗环境高频噪声干扰的方法，对于钢构件绝对应力识别方法的进一步推广应用具有重要作用。

发明内容

[0005] 为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法，能够实现对钢构件绝对应力的无损检测。

[0006] 本发明提供了一种基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法，通过标定横波在在役钢构件复制品上应力与第一特征频率倒数相关性系数，检测横波在在役钢构件上传播信号幅度谱曲线的第一特征频率值，来求解在役钢构件绝对应力。

[0007] 作为本发明的进一步改进，所述横波由收发同体超声横波探头发射并接收。

[0008] 作为本发明的进一步改进，所述收发同体超声横波探头发射横波的偏振角与在役钢构件轴向方向呈 的奇数倍。

[0009] 作为本发明的进一步改进，通过超声脉冲发生接收器发射脉冲电信号，经收发同体超声横波探头产生横波信号，横波信号在在役钢构件中传播并经反射后被收发同体超声横波探头接收，回波信号输入超声脉冲发生接收器，并最终显示于示波器上。

[0010] 作为本发明的进一步改进，所述第一特征频率值通过下列方法获得：所述收发同体超声横波探头采集回波信号后，截取第一回波信号，经傅里叶变换后得到幅度谱曲线，所述幅度谱曲线上的第一个极小值点对应的频率即为第一特征频率值。

[0011] 作为本发明的进一步改进，所述在役钢构件的绝对应力采用以下公式计算得到：

[0012]

[0013] 其中，σ为拟求解的钢构件绝对应力值，单位是MPa；

[0014] 是第一特征频率值，即为横波回波幅度谱曲线上第一个极值点对应的横坐标，单位是MHz；

[0015] κ和γ为需要拟合的参数，其中，κ的单位是MPa·MHz，γ的单位是MPa。

[0016] 作为本发明的进一步改进，所述在役钢构件复制品与所述在役钢构件材质相同并且厚度相同。

[0017] 作为本发明的进一步改进，所述方法包括以下步骤：第一步是在役钢构件的复制，制成在役钢构件复制品；第二步是在在役钢构件复制品上拟合参数；第三步是超声横波在在役钢构件中传播信号的采集；第四步是在役钢构件绝对应力的求解。

[0018] 本发明的有益效果是：通过上述方案，能够实现对在役钢构件绝对应力的无损检测，测试过程对数据采集系统的采样率要求不高，受环境高频噪声影响不大。

附图说明

[0019] 图1是本发明一种基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法的钢构件绝对应力识别检测仪器布置图。

[0020] 图2是本发明一种基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法的钢构件在零应力和400MPa应力时的回波幅度谱曲线。

[0021] 图3是本发明一种基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法的横波在钢构件中的传播示意图。

[0022] 图4是本发明一种基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法的钢板A、钢板B和钢板C的σ与 关系拟合线。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

[0024] 如图1至图4所示，一种基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法，通过标定横波在在役钢构件复制品上应力与第一特征频率倒数相关性系数，检测横波在在役钢构件上传播信号幅度谱曲线的第一特征频率值，来求解在役钢构件绝对应力。

[0025] 所述横波由收发同体超声横波探头发射并接收，横波探头为收发同体探头，应能发射并接收一定频带的超声横波信号，第一特征频率应在横波频带范围内。

[0026] 所述收发同体超声横波探头发射横波的偏振角与在役钢构件轴向方向呈 的奇数倍。

[0027] 所述第一特征频率值通过下列方法获得：收发同体超声横波探头采集回波信号后，截取第一回波信号，经傅里叶变换后可以得到幅度谱曲线，幅度谱曲线上的第一个极小值点对应的频率即为第一特征频率值。

[0028] 对在役钢构件绝对应力检测前需要在相同材质和厚度的在役钢构件复制品上进行参数拟合。

[0029] 所述绝对应力是指在役钢构件在当前状态下的轴向应力，而非某段时间内应力的改变量。

[0030] 超声波波型选择为横波。本方法基于双折射效应和声弹性理论提出，双折射效应是横波特有的现象。

[0031] 所述方法包括以下步骤，第一步：在役钢构件的复制，制成在役钢构件复制品；第二步：在在役钢构件复制品上拟合参数；第三步：超声横波在在役钢构件中传播信号的采集；第四步：在役钢构件绝对应力的求解。

[0032] 所述在役钢构件复制品是与在役钢构件厚度、材质等相同的钢构件，复制品用于检测公式参数的标定。

[0033] 如图1所示，所述方法实施需要用到超声脉冲发生接收器3、收发同体超声横波探头2、示波器4、万能试验机。仪器的连接方式如图1所示，超声脉冲发生接收器3发射脉冲电信号，经收发同体超声横波探头3产生横波信号，横波信号在在役钢构件1中传播并经反射后被横波探头接收，回波信号输入超声脉冲发生接收器3，并最终显示于示波器4上。示波器4上会显示多个回波信号，本方法研究钢构件第一次反射后的回波信号，因此截取第一个回波信号进行分析。对第一个回波时域信号进行傅里叶变换，分析其幅度谱曲线变化规律。所述超声脉冲发生接收器3应具有同时发射和接收横波信号的功能，其接收的横波信号应能输出至示波器4。

[0034] 横波探头为收发同体超声横波探头2，应能发射并接收一定频带的超声横波信号，信号能量尽可能集中于横波探头的幅度谱曲线1MHz～10MHz的范围内。本方法可使用中心频率为5MHz的横波探头，其主要频带范围为0至10MHz。

[0035] 所述示波器4用于接收横波回波信号，本方法对示波器4采用率要求不高，采样率在100MS/s时即可达到要求，其根本原因是噪音信号一般为高频成分，本方法研究幅度谱曲线低频信号(0～10MHz)的变化，因此，高频成分对检测结果影响不大。

[0036] 所述方法需要用到以下公式：

[0037]

[0038] 其中，σ为拟求解的钢构件绝对应力值，单位是MPa；f1*是第一特征频率，即为横波回波幅度谱曲线上第一个极值点对应的横坐标，单位是MHz；κ和γ为需要拟合的参数，其中，κ的单位是MPa·MHz，γ的单位是MPa。本方法实施过程中，首先在复制钢构件上拟合参数κ和γ，在此基础上，检测在役钢构件回波信号的第一特征频率值，将第一特征频率值带入上述公式即可得到在役钢构件绝对应力值。

[0039] 所述万能试验机用于给复制钢构件逐级加载，用于拟合参数κ和γ的值。

[0040] 测试过程中，采集超声回波信号，截取第一回波信号，并进行傅里叶变换，得到第一回波信号幅度谱曲线，在幅度谱曲线上确定第一特征频率。例如，在图2中，实现表示复制钢构件零应力状态下的回波幅度谱曲线，虚线表示复制钢构件400MPa应力状态下的回波幅度谱曲线，在400MPa应力状态下的回波幅度谱曲线上出现了极小值点，其对应的横坐标为f1*。信号分析过程中不对信号做滤波处理。

[0041] 所述在役钢构件包括常用的建筑钢构件，也包括由其他金属材料加工制作的其他用途的构件。

[0042] 所述绝对应力包括钢构件服役期受环境荷载作用和自身自重引起的应力，也包括其他金属构件的焊接残余应力、加载应力等。

[0043] 实施例1 本发明测试方法及相关原理解释

[0044] 基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法的原理如下。

[0045] 当被测钢构件中存在绝对应力时，应力会引起材料的声各向异性。当一束横波沿着垂直于应力方向传播时，横波可以分解为两个波分量，其中，偏振方向平行于应力方向的波分量和偏振方向垂直于应力方向的波分量传播速度不同，这种现象称为双折射现象，是横波特有的现象。

[0046] 如图3所示是横波在钢构件中传播的示意图，其中，横波探头与钢构件的接触点为原点o，横波的传播方向沿水平轴x3正方向，横波的偏振方向与水平轴x1之间的夹角为θ，钢构件沿x3轴方向的长度为l，钢构件受力方向沿x2轴方向，规定钢构件受压应力为正、受拉应力为负。

[0047] 由傅里叶分析方法可知，横波脉冲可看作各种不同频率的正弦波或余弦波的叠加，是一个较为复杂的波形。横波信号入射点的振动方程可写成如下表达式：

[0048]

[0049] 式中u0——振源o的振动幅值；

[0050] Ai——横波脉冲的第i振动分量的幅值；

[0051] wi——横波脉冲的第i振动分量的角频率；

[0052] t——振源振动的时间；

[0053] ——横波脉冲的第i振动分量的初相位。

[0054] 当钢构件中存在沿x2轴方向的应力时，横波会产生双折射现象。入射横波可分解为沿x1轴方向偏振的波分量u1和沿x2轴方向偏振的波分量u2，其表达式可写成如下形式：

[0055]

[0056]

[0057] 式中vij——横波波速，其中，第一个下标表示横波的传播方向平行于i轴，第二个下标表示质点的偏振方向平行于j轴。

[0058] 两横波分量传播至钢构件另一表面后反射，可以合成横波回波ur(x3,t)，并被横波探头接收，此时接收到的原点振动方程为：

[0059]

[0060] 式中l——钢构件厚度。

[0061] 为了表达方便，令

[0062]

[0063]

[0064] 将式(5)、(6)代入(4)得：

[0065] ur(t)＝g(t-Δt)cos2θ+g(t)sin2θ  (7)

[0066] 定义U(f)、G(f)是ur(t)、g(t)的傅里叶变换，定义|U(f)|、|G(f)|为U(f)、G(f)的幅度谱，对式(11)进行傅里叶变换，并采用欧拉公式，可得：

[0067]

[0068] 为了便于分析，定义：

[0069]

[0070] 将 定义为幅度谱调整函数，则式(16)可进一步简化成：

[0071]

[0072] 公式(10)即为基于双折射效应的横波回波幅度谱理论表达式。

[0073] 对式(9)进行分析，发现幅度谱调整函数取极限值时，横波频率和横波偏振角的取值为：

[0074]

[0075]

[0076] 定义幅度谱调整函数取极小值时对应的频率f*为特征频率，不同的N1对应不同的特征频率值，将N1＝1,2,3...时对应的特征频率分别记作 并称为第一特征频率、第二特征频率、第三特征频率……。

[0077] 根据声弹性理论，在弹性范围内，横波在钢材中的传播波速受应力影响。当横波在构件中的传播方向垂直于应力方向时，质点的振动方向垂直于应力方向和质点的振动方向平行于应力方向的横波波速不同。具体表达式如下：

[0078]

[0079]

[0080] 式中v31——横波波速，其中，横波传播方向垂直于应力方向、偏振方向垂直于应力方向；

[0081] v32——横波波速，其中，横波传播方向垂直于应力方向、偏振方向平行于应力方向；

[0082] λ、μ——二阶弹性常数；

[0083] m、n——三阶弹性常数；

[0084] ρ——为外加应力为零时的材料密度

[0085] 结合公式(13)和(14)，式(11)可变为：

[0086]

[0087] 式中

[0088]

[0089] α——初始声各向异性因子。

[0090] 由图2可知，由于应力的存在，改变了超声回波幅度谱不同频率的能量分布。由于*第一特征频率f1落在了探头幅度谱能量集中频带范围内，因此受力状态下超声回波幅度谱在f1*处变化最明显。为了便于数据的读取，因此N1的取值定为1。将N1＝1代入式(15)中可得到采用横波频谱分析方法识别钢构件应力的理论公式为：

[0091]

[0092] 从式(16)可以看出，钢构件中的应力与最小特征频率的倒数呈线性关系。拟合式(16)中的参数，通过测量横波在受力钢构件中传播信号的第一特征频率值，带入公式(16)，即可求解钢构件应力值。

[0093] 基于上述理论推导，可以总结出本方法的实施分四大步，第一步是在役钢构件的复制；第二步是在复制构件上拟合参数；第三步是超声横波在在役钢构件中传播信号的采集；第四步是在役钢构件绝对应力的求解。其具体实施过程如下：

[0094] 第一步，在役钢构件的复制：在役钢结构构件一般不可拆卸，本方法实施过程中需要标定公式(16)中的参数，为此，选择与在役钢构件相同材质相同厚度的构件作为复制钢构件，在复制钢构件上进行参数标定。

[0095] 第二步，在复制构件上拟合参数：按照图1所示布置并连接仪器，横波偏振角定为45°。首先，对复制构件从零应力状态开始加载，每次加载后保持5min的时间，记录横波信号和应力数据。其次，截取超声波信号第一回波信号进行傅里叶变换，以零应力状态下幅度谱最大值为参照作归一化处理，得到每个荷载下的频谱幅值图。再次，提取各幅度谱曲线的第一特征频率及对应的加载应力值，并可以得到第一特征频率倒数及对应的加载应力值，将数据绘制于以第一特征频率倒数为横坐标、以对应加载应力值为纵坐标的坐标系中。最后，采用最小二乘法对坐标系中的数据进行线性拟合，可以得到应力与第一特征频率倒数的线性关系表达式，也可得到公式(16)中的参数。

[0096] 第三步，超声横波在在役钢构件中传播信号的采集：将横波探头布置于在役钢构件表面，采集回波信号，对信号进行处理可得到横波在在役钢构件中传播时的第一特征频率值。

[0097] 第四步，在役钢构件绝对应力的求解：将第三步测量的横波在在役钢构件中传播时的第一特征频率值带入公式(16)即可得到在役钢构件绝对应力值。

[0098] 实施例2 本发明基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法用于钢构件绝对应力的测试

[0099] 为进一步验证本发明方法检测钢构件绝对应力的精度，做了如下检测钢构件绝对应力的试验和对比试验。

[0100] 65号优质结构钢不仅可以应用于建筑钢结构承重构件，也广泛应用于机械焊接、零件加工等方面。因此，以65号优质结构钢为对象研究采用频谱分析方法识别钢构件绝对应力识别，对于研究焊接残余应力检测、加载应力检测等均具有借鉴意义。采用65号优质结构钢制作加工了一系列钢构件，其尺寸和材质信息如表1所示。

[0101] 表1 试件材质及尺寸信息

[0102]

[0103] 第一步，在役钢构件的复制：将钢板A、钢板B和钢板C定位在役钢构件的复制构件，在钢板A、钢板B和钢板C上进行试验。

[0104] 第二步，在复制构件上拟合参数：分别为钢板A、钢板B和钢板C进行逐级加载，记录每个荷载下幅度谱曲线第一特征频率和应力值，将钢板A、钢板B和钢板C应力值、第一特征频率、第一特征频率倒数分别列于表2、表3和表4中。对表2、表3和表4中的应力值与第一特征频率倒数采用最小二乘法线性拟合，可以得到应力与第一特征频率倒数的线性关系表达式，如图4所示。可以看出，三个试件的应力值与第一特征频率倒数呈良好的线性关系。

[0105] 表2 钢板A不同荷载下的应力值、第一特征频率及第一特征频率倒数[0106]

[0107]

[0108] 表3 钢板B不同荷载下的应力值、第一特征频率及第一特征频率倒数[0109]

[0110] 表4 钢板C不同荷载下的应力值、第一特征频率及第一特征频率倒数[0111]

[0112] 第三步，超声横波在在役钢构件中传播信号的采集：在试验机上为钢板A、钢板B和钢板C分别施加一组荷载，模拟钢构件服役状态下的应力状态，测试横波信号在钢板中的第一特征频率值，分别列于表5、表6和表7中。

[0113] 第四步，在役钢构件绝对应力的求解：采用本发明的方法求解施加于钢板A、钢板B和钢板C的应力值，结果列于表5、表6和表7中。

[0114] 表5 不同荷载下钢板A的第一特征频率值及采用本发明方法求解的应力值[0115]

[0116] 表6 不同荷载下钢板B的第一特征频率值及采用本发明方法求解的应力值[0117]

[0118] 表7 钢板C基于超声波谱分析的绝对应力识别应力值

[0119]

[0120] 对比实验1

[0121] 在试验机上为钢板A、钢板B和钢板C分别施加一组荷载时，读取试验机加载力的大小，计算每次加载下构件的应力状态，将此结果作为构件真实应力状态。将试验机加载时计算的应力值与采用本发明检测的应力值进行对比，结果列于表8、表9和表10中。

[0122] 表8 钢板A测试结果与应力真值对比

[0123]

[0124]

[0125] 表9 钢板B测试结果与应力真值对比

[0126]

[0127]

[0128] 表10 钢板C测试结果与应力真值对比

[0129]

[0130] 从表8、表9和表10可以看出，采用本发明测得的应力值和试验机检测的应力值的趋势基本一致，每个测点的误差均在5％以内，这说明本发明方法的有效性。

[0131] 本发明提供的一种基于横波频谱分析的钢构件绝对应力识别方法，能够实现对在役钢构件绝对应力的无损检测，测试过程对数据采集系统的采样率要求不高，受环境高频噪声影响不大，测试结果得到了验证，能满足实际工程精度要求。测试仪器安装方便、成本低、易于实现。可用于对在建和已建钢结构构件绝对应力检测，也可用于其他金属构件的焊接残余应力、加载应力检测。

[0132] 本发明方法可应用于对在建和已建钢结构构件绝对应力检测，也可用于其他金属构件的焊接残余应力、加载应力检测，测量结果精度较高，检测仪器安装、携带方便，成本低，易于实现。

[0133] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。