CN107817300A - 使用基于声学特征的技术来确定结构内的裂纹扩展长度的***和方法 - Google Patents

使用基于声学特征的技术来确定结构内的裂纹扩展长度的***和方法 Download PDF

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Abstract

公开了使用基于声学特征的技术来确定裂纹扩展长度的方法和***。经由作用于结构上的第二位置的具有预定义幅度的谐波负荷引起的结构振动而产生的声波，在第一位置处测量和记录声学特征。结构内部包含未知长度的裂纹扩展。通过将测量和记录的声学特征与存储在数据库中的数值计算的声学特征进行比较，来确定未知长度，存储在数据库中的数值计算的声学特征包含数值计算的声学特征与数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段的对应裂纹扩展长度的至少一种关系。通过执行数值时间推进模拟，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹，并通过执行结构的SSD分析和振动声学分析，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段的数值计算的声学特征，来获得数值计算的声学特征。

Description

使用基于声学特征的技术来确定结构内的裂纹扩展长度的系 统和方法
技术领域
本发明总的涉及确定结构内的裂纹扩展长度，更具体地涉及使用基于声学特征的技术(例如，声频响应函数)来确定结构内的裂纹扩展长度的***和方法。
背景技术
众所周知，结构在循环负荷下可能产生裂纹。循环负荷的来源可能来自运输过程中的正常操作或振动。一旦裂纹开始发展，裂纹可能由于许多可能的因素而扩展，包括但不限于，持续的操作负荷、环境和/或温度的组合影响等。在某些极端情况下，裂纹可以扩展得如此之多而导致结构失效。因此，监测结构中裂纹的发展和扩展至关重要，以确保保持结构完整性。
随着各种工程学科的出现，有可以协助用户(即科学家、工程师等)执行这种困难的确定的几种技术。例如，计算机辅助工程(CAE)已被用于在许多任务中支持工程师，特别是CAE(例如有限元方法、边界元方法、无网格方法等)可用于在循环负荷下的结构的时间推进模拟中获得数值模拟的结构特性(例如，裂纹扩展)。
FEA是在工业中广泛使用以模拟(即，建模和求解)涉及复杂产品或***(例如，汽车、飞机等)的工程问题的计算机方法，例如三维线性和/或线性结构设计与分析。FEA的名称源于规定考虑中的对象的几何形状的方式。几何形状由单元和节点定义。有许多类型的单元，例如用于体积或连续体的固体元件，用于表面的壳或板单元，以及用于一维结构对象的梁或桁架单元。
然而，通常难以物理地确定或测量裂纹的长度，特别是当裂纹在结构内向内扩展时。
发明内容
公开了使用基于声学特征的技术来确定裂纹扩展长度的方法和***。根据一个示例性的方面，确定结构内的裂纹扩展的未知长度的方法包括：经由具有预定义幅度的谐波负荷引起的结构振动而产生的声波，在第一位置处测量和记录声学特征，该具有预定义幅度的谐波负荷作用于结构上的第二位置。结构内部包含未知长度的裂纹扩展。通过将测量和记录的声学特征与存储在数据库中的数值计算的声学特征进行比较，来确定未知长度，存储在数据库中的数值计算的声学特征包含数值计算的声学特征与数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段的对应裂纹扩展长度的至少一种关系。通过执行数值时间推进模拟，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹，并通过执行结构的稳态动态(SSD)分析和振动声学分析，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段的数值计算的声学特征，来获得数值计算的声学特征。
根据另一方面，执行数值时间推进模拟以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹进一步包括以下操作：在其上安装有至少有限元分析(FEA)应用模块和边界单元法(BEM)应用模块的计算机***中，接收表示结构和已知在结构中引起裂纹扩展的负荷条件的FEA模型；并采用FEA应用模块，通过使用基于至少一种结构裂纹预测理论的FEA模型来执行时间推进模拟，获得在负荷条件下的结构内的数值模拟的裂纹扩展轨迹。
根据又一方面，执行结构的稳态动态(SSD)分析和振动声学分析，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段的数值计算的声学特征还包括以下步骤：使用FEA应用模块的SSD分析能力，获得受到谐波负荷的结构的结构表面节点速度分布，该谐波负荷在预定义的频率具有预定义的幅度，且作用于结构表面上的声音产生位置，结构由对应于数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段中的每一个的FEA模型表示；且使用BEM应用模块，使用基于振动声学计算理论的作为振动边界条件的结构表面节点速度分布，在声音接收位置处获得结构的数值计算的声学特征。
通过以下结合附图对具体实施方式的详细描述，本发明的其他目的、特征和优点将会变得显而易见。
附图说明
参照以下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中：
图1A是根据本发明的一个实施例的使用基于声学特征的技术来确定结构内的未知裂纹扩展长度的示例性过程的流程图；
图1B是根据本发明的一个实施例的在结构附近的位置处创建数值计算的声学特征的数据库的示例过程的流程图，该结构具有预定义幅度的谐波负荷下的各种裂纹扩展长度；
图2是根据本发明的一个实施例的由预定义幅度的谐波负荷下的示例结构生成的声学特征的示例测量设置的示意图；
图3是根据本发明的实施例的示例性结构内的裂纹扩展的各个阶段的一系列示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的在裂纹扩展轨迹的特定阶段获得结构的数值计算声学特征的示例方案的示意图；
图5是根据本发明的一个实施例的数值计算的声学特征与相应的裂纹扩展长度的示例关系的示意图；以及
图6是示例性的计算机***的主要组件的功能框图，本发明的实施例可在该计算机***中实施。
具体实施方式
在本文中参照图1A-6讨论本发明的实施例。然而，本领域技术人员将容易理解，本文参照附图给出的详细描述是用于解释的目的，本发明延伸到这些有限的实施例之外。
首先参考图1A，它示出了使用基于声学特征的技术来确定结构内的未知裂纹扩展长度的示例性过程100的流程图。过程100在动作102处开始，经由结构的振动产生的声学/声音波，测量和记录第一位置(即，声音接收位置)处的声学特征。该结构包含结构内的未知长度的裂纹扩展。结构的振动是由施加在结构的第二位置(即，声音产生位置)处的预定义幅度的谐波负荷(例如，特定频率的正弦负荷)引起的。在一个实施例中，第一位置靠近结构或位于结构的特征尺寸(例如，结构的最大尺寸、平均尺寸等)内，而第二位置在结构的表面上。最大尺寸可以是结构的两个极端位置之间的最大尺寸。在另一个实施例中，谐波负荷的预定义幅度和预定义频率使得在声音接收位置处记录可听见声音(例如，至少30dB)的声学特征。
图2示出了这种测量的示例设置。示例性结构200具有裂纹扩展202，该裂纹扩展202受到第二位置212(例如，外部谐波负荷的位置)处具有预定义幅度210的谐波负荷。经由声波222的声学特征在结构200附近的第一位置220(例如，麦克风的位置)处被测量并记录。为了说明的简洁性，示出了结构200的二维视图。对于本发明中的什么类型的结构没有限制。结构可以是1、2或3维，可以是任何形状。结构也可以由任何材料制成，例如金属、混凝土等。声学特征的测量和记录可以用许多公知的技术进行，例如，声学(声音)压力以Pa(帕斯卡)为单位或SPL(声压级)以dB(分贝)为单位来测量。在替代实施例中，测量可以是音频文件(例如，包含声波中携带的声音的WAV文件)。谐波负荷可以由公知的方法和***产生。
在动作104，通过将测量和记录的声学特征与存储在数据库中的数值计算的声学特征进行比较，来确定结构内裂纹扩展的未知长度。数据库包含在数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段、数值计算的声学特征与相应的裂纹扩展长度的至少一种关系。通过执行数值时间推进模拟，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹，并通过执行结构的稳态动态(SSD)分析和振动声学分析，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段的数值计算的声学特征，来获得数值计算的声学特征。更多细节在图1B中描述和示出。其中，流程图示出了创建数值计算的声学特征与受到谐波负荷的结构的裂纹扩展长度的数据库的示例过程150，该结构内包含裂纹扩展。可以采用许多公知的过程进行确定，例如计算的声学特征的插值。
过程150优选地在软件中实施并且与其他附图一起理解。过程150在动作152开始，在计算机***(例如，图6的计算机***600)中接收表示结构和负荷条件的有限元分析(FEA)模型。已知负荷条件会导致结构中的裂纹扩展。计算机***上至少安装有有限元分析(FEA)应用模块和边界单元法(BEM)应用模块。裂纹扩展的预测和SSD分析是FEA应用模块的功能/特征，而振动声学分析是BEM应用模块的功能/特征。
在动作154，执行数值时间推进模拟(例如，有限元分析)以使用FEA模型获得负荷条件下的结构内的数值模拟的裂纹扩展轨迹。有几种公知的预测裂纹扩展的方法，例如，基于应变能量释放理论、或者应力强度因子(SIF)或者粘性区域建模等的那些方法。本领域普通技术人员将知道，数值模拟可以用高度的置信度来预测裂纹扩展。
在动作156，在数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段的结构附近的声音接收位置处，获得相应的数值计算的声学特征。每个阶段对应于数值模拟的裂纹扩展轨迹的特定长度，例如图3所示的三个示例阶段。计算的声学特征使用基于边界单元法的振动声学分析来计算，结构表面速度分布作为振动边界条件。通过响应在预定义频率(例如由用户定义的)具有预定义幅度的谐波负荷，经结构的稳态动态(SSD)分析，来获得结构表面速度分布。谐波负荷被施加在结构的特定表面节点(即，声音产生位置)处。SSD在频域中执行，可以通过两种方式进行：直接SSD和基于模式的SSD(也称为间接SSD)。对于直接SSD，变量是物理节点坐标。而对于基于模式的SSD，变量是模态坐标或广义坐标。这两种SSD方法都是公知的。
图3示出了示例结构内的裂纹扩展的三个阶段。阶段1 310和阶段2 320表示间歇阶段，而阶段3 330表示最终阶段或整个数值模拟的裂纹扩展轨迹。为视觉和图解目的，裂纹被绘制为夸张地扩大的间隙。实际上，不仅裂纹可能要小得多/薄得多，裂纹也可能隐藏在结构内(可能从外面看不到)。在一个实施例中，为数值模拟的裂纹扩展轨迹的每个阶段计算声学特征。
图4示出了在数值模拟的裂纹扩展轨迹的特定阶段获得结构的数值计算声学特征的示例方案。该方案包含两个阶段：1)响应具有预定义幅度的谐波负荷，使用SSD分析来获得数值结构表面速度分布；以及2)使用振动声学分析来获得由结构表面速度分布所表示的结构振动而导致的结构的声学特征。
结构的有限元分析模型410在数值模拟的裂纹扩展轨迹的特定阶段(例如，图3的阶段1 310)。在表面节点402(即，声音产生位置)处应用具有预定义幅度404的谐波负荷。谐波负荷具有预定义的频率403(例如，具有特定频率的正弦波)。可以通过SSD分析计算结构表面节点速度分布420。然后，将结构表面节点速度分布420用作使用结构表面模型430的边界单元方法中的振动边界条件。可以在声音接收位置440处计算声学特征。注意，对于每个节点，结构表面节点速度分布420在振幅和相位方面通常是不同的。
参考过程150，在动作158，创建计算的声学特征的数据库。该数据库包含数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段中计算的声学特征与相应的裂纹扩展长度的至少一种关系。每个关系对应于声音接收位置、声音产生位置和预定义的谐波负荷频率的独特组合。
图5示出了数值计算的声学特征(即，SPL(dB))512和相应的裂纹扩展长度514的示例关系。注意，数值计算的声学特征可以是用于数值模拟裂纹扩展轨迹的每个阶段的音频文件(WAV文件)。
根据另一方面，本发明涉及一种或多种能够执行在此描述的功能的计算机***。计算机***600的例子在图6中示出。计算机***600包括一个或多个处理器，例如处理器604。处理器604连接到计算机***内部通信总线602。关于该示范性的计算机***，有各种软件实现的描述。在读完这一描述后，相关技术领域的人员将会明白如何使用其它计算机***和/或计算机架构来实施本发明。
计算机***600还包括主存储器608，优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助存储器610。辅助存储器610包括例如一个或多个硬盘驱动器612和/或一个或多个可移除存储驱动器614，它们代表软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除的存储驱动器614用已知的方式从可移除存储单元618中读取和/或向可移除存储单元618中写入。可移除存储单元618代表可以由可移除存储驱动器614读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元618包括其上存储有计算机软件和/或数据的计算机可读媒介。
在可选实施例中，辅助存储器610可包括其它类似的机制，允许计算机程序或者其它指令被装载到计算机***600。这样的机制包括例如可移动存储单元622和接口620。这样的例子可包括程序盒式存储器和盒式存储器接口(例如，视频游戏设备中的那些)、可移动存储芯片(例如可擦除的可编程只读存储器(EPROM))、通用串行总线(USB)闪存、或者PROM)以及相关的插槽、以及其它可移动存储单元622和允许软件和数据从可移动存储单元622传递到计算机***600的接口620。通常，计算机***600由操作***(OS)软件控制和管理，操作***执行例如进程调度、存储器管理、网络连接和I/O服务。
可能还设有连接到总线602的通信接口624。通信接口624允许软件和数据在计算机***600和外部设备之间传递。通信接口624的例子包括调制解调器、网络接口(例如以太网卡)、通信端口、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)插槽和卡等等。
计算机600基于一组特定的规则(也就是，协议)通过数据网络与其它计算设备通信。通用协议的其中一种是在互联网中通用的TCP/IP(传输控制协议/互联网协议)。通常，通信接口624将数据文件组合处理成较小的数据包以通过数据网络传输，或将接收到的数据包重新组合成原始的数据文件。此外，通信接口624处理每个数据包的地址部分以使其到达正确的目的地，或者中途截取发往计算机600的数据包。
在这份文件中，用语“计算机可记录存储介质”、“计算机可记录介质”和“计算机可读介质”都用来指代媒介，例如可移动存储驱动器614和/或设置在硬盘驱动器612中的硬盘。这些计算机程序产品是用于将软件提供给计算机***600的手段。本发明涉及这样的计算机程序产品。
计算机***600还包括输入/输出(I/O)接口630，它使得计算机***600能够接入显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描器、绘图机、以及类似设备。
计算机程序(也被称为计算机控制逻辑)作为应用模块606存储在主存储器608和/或辅助存储器610中。也可通过通信接口624接收计算机程序。这样的计算机程序被执行时，使得计算机***600执行如在此所讨论的本发明的特征。特别地，当执行该计算机程序时，使得处理器604执行本发明的特征。因此，这样的计算机程序代表计算机***600的控制器。
在本发明采用软件实现的实施例中，该软件可存储在计算机程序产品中，并可使用可移动存储驱动器614、硬盘驱动器612、或者通信接口624加载到计算机***600中。应用模块606被处理器604执行时，使得处理器604执行如在此所述的本发明的功能。
主存储器608可被加载有一个或多个应用模块606，所述应用模块606可被一个或多个处理器604执行以实现期望的任务，所述处理器可具有或不具有通过I/O接口630输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器604执行一个应用模块606时，结果(例如，SSD结果–结构表面节点速度分布、声学特征数据库)被计算并存储在辅助存储器610(也就是，硬盘驱动器612)中。例如，SSD结果可以保存到存储器中，并通过I/O接口630以列表或图形形式报告给用户。
虽然参照特定的实施例对本发明进行了描述，但是这些实施例仅仅是解释性的，并不用于限制本发明。本技术领域的人员可得到暗示，对具体公开的示范性实施例做出各种修改和改变。例如，虽然该结构已被示为矩形二维形状，但是在本发明中可以使用其它类型或形状，例如汽车或汽车部件等三维复杂结构。总之，本发明的范围不限于在此公开的特定示范性实施例，对本技术领域人员来说暗含的所有修改都将被包括在本申请的精神和范围以及所附的权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种确定结构内的裂纹扩展的未知长度的方法，其特征在于，包括：
经由具有预定义幅度的谐波负荷引起的结构振动而产生的声波，在第一位置处测量和记录声学特征，所述具有预定义幅度的谐波负荷作用于所述结构上的第二位置，所述结构内部包含未知长度的裂纹扩展；以及
通过将测量和记录的声学特征与存储在数据库中的数值计算的声学特征进行比较，来确定所述结构内的裂纹扩展的未知长度，所述存储在数据库中的数值计算的声学特征包含数值计算的声学特征与数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段的对应裂纹扩展长度的至少一种关系，其中通过执行数值时间推进模拟，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹，并通过执行结构的稳态动态分析和振动声学分析，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹的所述各个阶段的数值计算的声学特征，来获得所述数值计算的声学特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一位置包括位于所述结构的特征尺寸内的声音接收位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二位置包括所述结构的表面上的声音产生位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述执行数值时间推进模拟以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹进一步包括以下操作：
在其上安装有至少有限元分析应用模块和边界单元法应用模块的计算机***中，接收表示结构和已知在结构中引起裂纹扩展的负荷条件的有限元分析模型；以及
采用有限元分析应用模块，通过使用基于至少一种结构裂纹预测理论的有限元分析模型来执行时间推进模拟，获得在负荷条件下的结构内的数值模拟的裂纹扩展轨迹。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述执行结构的稳态动态分析和振动声学分析，以获得数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段的数值计算的声学特征还包括以下步骤：
采用有限元分析应用模块，经稳态动态分析，获得受到谐波负荷的结构的结构表面节点速度分布，所述谐波负荷在预定义的频率具有预定义的幅度，且作用于结构表面上的声音产生位置，其中所述结构由对应于数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段中的每一个的有限元分析模型表示；以及
采用边界元法应用模块，使用基于振动声学计算理论的作为振动边界条件的结构表面节点速度分布，在声音接收位置处获得结构的数值计算的声学特征。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述裂纹扩展长度对应于所述数值模拟裂纹扩展轨迹的各个阶段。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述数据库中的所述至少一种关系中的每一个对应于所述声音接收位置、所述声音产生位置和所述谐波负荷的所述预定义频率的组合。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述测量和记录的声学特征包括以Pa为单位的声压，或以分贝为单位的声压级。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定义幅度和所述谐波负荷的所述预定义频率导致所述声学特征在所述第一位置处记录至少30dB的可听见的声音。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量和记录的声学特征包括音频文件。
11.一种用于创建内部具有裂纹扩展的结构的数值计算声学特征的数据库的***，其特征在于，所述***包括：
输入/输出接口；
存储器用于存储计算机可读代码，所述计算机可读代码用于至少有限元分析应用模块和边界元法应用模块；
至少一个处理器，耦接到所述存储器，所述至少一个处理器执行所述存储器中的计算机可读代码，使所述应用模块执行以下操作：
接收表示结构和已知在结构中引起裂纹扩展的负荷条件的有限元分析模型；以及
采用有限元分析应用模块，通过使用基于至少一种结构裂纹预测理论的有限元分析模型来执行时间推进模拟，获得在负荷条件下的结构内的数值模拟的裂纹扩展轨迹；
采用有限元分析应用模块，经稳态动态分析，获得受到谐波负荷的结构的结构表面节点速度分布，所述谐波负荷在预定义的频率具有预定义的幅度，且作用于结构表面上的声音产生位置，其中所述结构由对应于数值模拟的裂纹扩展轨迹的各个阶段中的每一个的有限元分析模型表示；
采用边界元法应用模块，使用基于振动声学计算理论的作为振动边界条件的结构表面节点速度分布，在声音接收位置处获得结构的数值计算的声学特征；以及
将各数值计算的声学特征与对应于所述数值模拟裂纹扩展轨迹的所述各个阶段的裂纹扩展长度的至少一种关系存储到所述数据库中。
12.根据权利要求11所述的***，其特征在于，所述数据库中的所述至少一种关系中的每一个对应于所述声音接收位置、所述声音产生位置和所述谐波负荷的预定义频率的组合。
13.根据权利要求12所述的***，其特征在于，所述测量和记录的声学特征包括以Pa为单位的声压或以分贝为单位的声压级。
14.根据权利要求13所述的***，其特征在于，所述预定义幅度和所述谐波负荷的预定义频率导致所述声学特征在所述第一位置处记录至少30dB的可听见的声音。
CN201710455102.6A 2016-09-13 2017-06-16 使用基于声学特征的技术来确定结构内的裂纹扩展长度的***和方法 Active CN107817300B (zh)

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