一种钛合金材料疲劳裂纹速率动态预测方法与流程

本发明涉及超声波测试材料，具体涉及一种钛合金材料疲劳裂纹速率动态预测方法。

背景技术：

1、钛合金具有耐腐蚀、易加工等特点，但在实际使用过程中，钛合金材质也存在疲劳问题，且常出现由疲劳荷载引起的裂纹缺陷，如果不能及时发现疲劳裂纹且准确判断其发展趋势，可能使得裂纹逐渐加重，最终断裂导致金属结构的崩溃。为了对钛合金疲劳裂纹的扩展速率进行预测，常用超声波检测对钛合金进行无损探伤，即性能良好的钛合金材料较为均匀，缺陷区域和正常区域的声阻抗存在差异，超声波在两种介质交界面上发生反射，反射的波形会因为缺陷的差异（缺陷位置、深浅等）而存在差异，因此通过分析波形差异而确定缺陷区域性质，但在实际使用过程中，由于荷载程度、应力集中程度、环境温度等因素影响，使得裂纹延伸出现二次裂纹，或两裂纹合并的情况，此时用上述方法无法对其进行区分。

2、现有技术通过超声波在结构中的传播和反射来检测确定钛合金材料中单个疲劳裂纹的深度、位置及长度，并通过实时监测，对比上述特征在不同时刻的差异预测单个裂纹的扩展速率，但钛合金材质在使用过程中，由于不同位置裂纹的尖端振动波幅与应力的差异，使得钛合金材质的疲劳裂纹存在裂纹延伸时出现两裂纹合并成同一裂纹的情况，此时使用现有技术可能无法准确区分上述情况，使得预测结果不够准确。

技术实现思路

1、本发明提供一种钛合金材料疲劳裂纹速率动态预测方法，以解决现有的问题。

2、本发明的一种钛合金材料疲劳裂纹速率动态预测方法采用如下技术方案：

3、本发明一个实施例提供了一种钛合金材料疲劳裂纹速率动态预测方法，该方法包括以下步骤：

4、在钛棒上选取若干个位置进行超声波检测，获取每个位置在每个周期对应的波形图；

5、根据每个位置在每个周期对应的波形图，得到每个位置在每个周期的符合裂纹区域特征的程度；将每个周期内所有符合裂纹区域特征的程度中大于预设的第一阈值的位置，记为裂纹区域；

6、根据每个位置在每个周期对应的波形图，得到每个位置在每个周期对应的波形图上的每个波峰的变化程度；根据所有位置在所有周期的符合裂纹区域特征的程度和每个位置在每个周期对应的波形图上的所有波峰的变化程度，得到每个周期的每个裂纹区域的延伸程度；

7、根据所有位置在每个周期对应的波形图上的所有波峰的变化程度，得到每个周期的每个裂纹区域的方向向量；根据每个周期的所有裂纹区域的延伸程度和方向向量，得到每个周期的若干个裂纹组；

8、根据每个周期的所有裂纹区域的延伸程度、预设的每个周期的时长和所有周期的所有裂纹组，在每个周期的所有裂纹组中筛选出若干个延伸速率过快的裂纹组。

9、进一步地，所述根据每个位置在每个周期对应的波形图，得到每个位置在每个周期的符合裂纹区域特征的程度的具体计算公式为：

10、

11、式中，表示第个位置在第个周期的符合裂纹区域特征的程度；表示第个位置在第个周期对应的波形图的波峰的数量；表示第个位置在第个周期对应的波形图的振幅范围；第个位置在第个周期对应的波形图的所有波峰的最大波幅的均值；表示第个位置在第个周期对应的波形图的所有波峰的宽度的和值；表示第个位置在第个周期对应的波形图的第个波峰的最大波幅；为线性归一化函数；为绝对值函数。

12、进一步地，所述根据每个位置在每个周期对应的波形图，得到每个位置在每个周期对应的波形图上的每个波峰的变化程度，包括的具体步骤如下：

13、在第个位置的除第个周期之外的每个周期对应的波形图的每个波峰的最大波幅的横坐标中，将与第个周期对应的波形图的第个波峰的最大波幅的横坐标的差值绝对值中最小的除第个周期之外的每个周期对应的波形图的波峰，记为第个位置在第个周期对应的波形图的第个波峰在每个周期中的对应波峰；

14、根据每个位置在每个周期对应的波形图和每个位置在每个周期对应的波形图的每个波峰在每个周期的对应波峰，得到每个位置在每个周期对应的波形图上的每个波峰的变化程度。

15、进一步地，所述根据每个位置在每个周期对应的波形图和每个位置在每个周期对应的波形图的每个波峰在每个周期的对应波峰，得到每个位置在每个周期对应的波形图上的每个波峰的变化程度的具体计算公式为：

16、

17、式中，表示第个位置在第个周期对应的波形图的第个波峰的变化程度；表示第个位置在除第个周期之外的周期数量；表示第个位置在第个周期对应的波形图的第个波峰在第个周期的对应波峰的最大波幅的横坐标；表示第个位置在第个周期对应的波形图的第个波峰在第个周期的对应波峰的最大波幅的横坐标；表示第个位置在第个周期对应的波形图的第个波峰的宽度与其在第个周期的对应波峰的宽度的差值的绝对值；表示第个位置在第个周期对应的波形图的第个波峰在第个周期和第个周期的对应波峰的最大波幅的差值的绝对值。

18、进一步地，所述根据所有位置在所有周期的符合裂纹区域特征的程度和每个位置在每个周期对应的波形图上的所有波峰的变化程度，得到每个周期的每个裂纹区域的延伸程度，包括的具体步骤如下：

19、将每个周期的每个裂纹区域对应的位置在所有周期的符合裂纹区域特征的程度的均值与每个周期的每个裂纹区域对应的波形图的所有波峰的变化程度的和值的乘积，记为每个周期的每个裂纹区域的延伸程度。

20、进一步地，所述根据所有位置在每个周期对应的波形图上的所有波峰的变化程度，得到每个周期的每个裂纹区域的方向向量，包括的具体步骤如下：

21、获取钛棒上任意两个位置之间的距离，在所有位置的第个周期对应的波形图中，将最大的变化程度对应的波峰所处的波形图对应的位置，记为目标位置，以第个周期的每个裂纹区域到目标位置的距离和方向，构成第个周期的每个裂纹区域的方向向量。

22、进一步地，所述根据每个周期的所有裂纹区域的延伸程度和方向向量，得到每个周期的若干个裂纹组，包括的具体步骤如下：

23、根据每个周期的每个裂纹区域的延伸程度和方向向量，得到每个周期的任意两个裂纹区域合并的可能性；

24、以每个周期的所有任意两个裂纹区域合并的可能性的倒数为聚类距离，对每个周期的所有裂纹区域进行聚类，得到每个周期的若干个裂纹组。

25、进一步地，所述根据每个周期的每个裂纹区域的延伸程度和方向向量，得到每个周期的任意两个裂纹区域合并的可能性的具体计算公式为：

26、

27、式中，表示第个周期的第个裂纹区域与第个裂纹区域合并的可能性；表示第个周期的第个裂纹区域与第个裂纹区域的距离；表示第个周期的第个裂纹区域与第个裂纹区域的延伸程度的均值，表示第个周期的第个裂纹区域的延伸程度，表示第个周期的第个裂纹区域的延伸程度，表示第个周期的第个裂纹区域的方向向量与第个裂纹区域的方向向量的夹角；为线性归一化函数；为绝对值函数。

28、进一步地，所述根据每个周期的所有裂纹区域的延伸程度、预设的每个周期的时长和所有周期的所有裂纹组，在每个周期的所有裂纹组中筛选出若干个延伸速率过快的裂纹组，包括的具体步骤如下：

29、统计第个周期的第个裂纹组与第个周期内每个裂纹组的交集，在第个周期的第个裂纹组与第个周期内所有裂纹组的交集中，将交集中数据数量最大的交集对应的第个周期内裂纹组，记为第个周期的第个裂纹组的对应裂纹组；

30、根据每个周期的所有裂纹区域的延伸程度、预设的每个周期的时长和每个周期的每个裂纹组的对应裂纹组，得到每个周期的每个裂纹组的预测延伸速率；

31、在每个周期的所有裂纹组中，将所有预测延伸速率大于预设的第二阈值的裂纹组，记为延伸速率过快的裂纹组。

32、进一步地，所述根据每个周期的所有裂纹区域的延伸程度、预设的每个周期的时长和每个周期的每个裂纹组的对应裂纹组，得到每个周期的每个裂纹组的预测延伸速率的具体计算公式为：

33、

34、式中，表示第个周期的第个裂纹组的预测延伸速率；表示第个周期的第个裂纹组内所有裂纹区域的延伸程度的均值；表示第个周期的第个裂纹组的对应裂纹组内所有裂纹区域的延伸程度的均值；表示第个周期的第个裂纹组内第个裂纹区域的延伸程度；表示第个周期的第个裂纹组内裂纹区域的个数；表示第个周期的所有任意两个裂纹区域合并的可能性的均值；表示预设的每个周期的时长；表示第个周期的第个裂纹组的对应裂纹组内裂纹区域的个数；为线性归一化函数；为绝对值函数。

35、本发明的技术方案的有益效果是：

36、本发明实施例中，获取每个位置在每个周期对应的波形图，根据每个位置在每个周期的符合裂纹区域特征的程度，以此得到更精确的裂纹区域，得到每个周期的若干个裂纹区域；计算所有波形图上的每个波峰的变化程度，据此对单个裂纹的延伸趋势做出精确判断，进而得到每个周期的每个裂纹区域的延伸程度，计算每个周期的每个裂纹区域与相邻后一个裂纹区域合并的可能性，以此分析是否存在裂纹合并的情况，得到每个周期的若干个裂纹组，从而得到每个周期的每个裂纹组的预测延伸速率，最终在每个周期的所有裂纹组中筛选出若干个延伸速率过快的裂纹组，改进了现有技术只获得单个裂纹延伸速率导致的预测准确度不高的情况。至此本发明根据不同时段内波形的差异获得单个裂纹的延伸方向和延伸程度，通过分析与当前裂纹相邻的裂纹之间延伸方向和延伸程度的差异获得裂纹的延伸状态，从而确定下一时刻的裂纹位置和裂纹扩展速率。