疲勞破壞預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定的無(wú)損檢測(cè)的嵌入式缺陷的概率建模和尺寸測(cè)定的制作方法
【專利說(shuō)明】疲勞破壞預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定的無(wú)損檢測(cè)的嵌入式缺陷 的概率建模和尺寸測(cè)定
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)根據(jù) 35U. S. C. § 119(e)要求題目 "PROBABILISTIC MODELING AND QUANTIFICATION OF EMBEDDED FLAWS IN ULTRASONIC NON-DESTRUCTIVE INSPECTION AND ITS APPLICATION"、于2013年I月4日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/748,846的權(quán)益，其全 部以引用的方式并入本文，并且本申請(qǐng)要求其優(yōu)先權(quán)的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本專利申請(qǐng)涉及依據(jù)無(wú)損檢查（NDE)數(shù)據(jù)和疲勞模型參數(shù)考慮不確定性的概率 性疲勞壽命預(yù)測(cè)的方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 鋼鐵和合金結(jié)構(gòu)是民用、航空、船舶和發(fā)電系統(tǒng)的基本部分。自從20世紀(jì)70年代 早期，無(wú)損檢查（在下文中，"NDE"）和無(wú)損（在下文中，"NDT"）技術(shù)已經(jīng)是有效的量度，以 評(píng)估那些結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的制造質(zhì)量和運(yùn)彳丁完整性。很多NDT和NDE技術(shù)包括超聲檢測(cè)、磁顆 粒檢測(cè)、電磁檢測(cè)、射線檢測(cè)、滲透檢測(cè)、聲發(fā)射和視覺(jué)檢測(cè)。具體地，現(xiàn)有技術(shù)超聲NDE技 術(shù)提供在不需要破壞結(jié)構(gòu)的情況下，獲取關(guān)于結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷（諸如空隙和裂紋之類）的 信息的機(jī)會(huì)。這個(gè)信息可以與機(jī)械和材料性質(zhì)整合，以允許疲勞壽命預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)管理。
[0005] 安排的NDE有時(shí)對(duì)于經(jīng)歷依賴時(shí)間的退化的結(jié)構(gòu)是強(qiáng)制的。在線或者現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)在 制造階段時(shí)比檢測(cè)更難，并且缺陷識(shí)別和尺寸測(cè)定的不確定性由于對(duì)于測(cè)試的更復(fù)雜條件 可能大得多。NDE的質(zhì)量依賴與很多不確定因素，包括檢測(cè)儀器的敏感度、正被檢測(cè)的目標(biāo) 結(jié)構(gòu)的服務(wù)條件、材料性質(zhì)的可變性、操作過(guò)程和人員等。將可期望具有這些不確定性的科 學(xué)量化，以產(chǎn)生可靠的并且多信息的檢測(cè)結(jié)果。典型地，不確定性的確定性處理包括安全性 因素的使用。然而，安全性因素的確定基本依賴于體驗(yàn)和專家判斷，這對(duì)于諸如不具有強(qiáng)的 領(lǐng)域知識(shí)的工程師之類的檢測(cè)人員不是輕松任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 公開(kāi)依據(jù)無(wú)損檢查（NDE)數(shù)據(jù)和疲勞模型參數(shù)考慮不確定性的概率性疲勞壽命 預(yù)測(cè)的方法。該方法包括提供探測(cè)概率模型和初始裂紋尺寸概率密度函數(shù)（PDF)。該方法 還包括提供模型參數(shù)的概率性識(shí)別并且提供模型參數(shù)TOF。接著，基于初始裂紋尺寸、模型 參數(shù)PDF和材料/負(fù)荷因數(shù)提供裂紋增長(zhǎng)模型。另外，該方法還包括確定不確定性傳播并 且基于不確定傳播和裂紋增長(zhǎng)模型提供疲勞壽命預(yù)測(cè)。
[0007] 具體地，該方法利用關(guān)于探測(cè)、尺寸測(cè)定、疲勞模型參數(shù)和輸入的不確定性量化模 型?；隈詈蠈?shí)際缺陷尺寸與無(wú)損檢查（NDE)報(bào)告尺寸的對(duì)數(shù)線性模型開(kāi)發(fā)探測(cè)概率模 型。通過(guò)使用概率性建模和貝葉斯定理對(duì)于沒(méi)有缺陷指示的NDE數(shù)據(jù)和具有缺陷指示的 NDE數(shù)據(jù)二者推導(dǎo)實(shí)際缺陷尺寸的分布。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1描繪根據(jù)本發(fā)明的利用無(wú)損檢查（NDE)檢測(cè)數(shù)據(jù)的概率性疲勞壽命預(yù)測(cè)的方 法。
[0009] 圖2A描繪實(shí)際缺陷尺寸和超聲NDE檢測(cè)報(bào)告尺寸的尺寸測(cè)定信息。
[0010] 圖2B描繪通過(guò)使用閾值0. 5mm、1.0 mm和I. 5mm的尺寸測(cè)定信息獲得的探測(cè)概率 (POD)曲線。
[0011] 圖3A描繪嵌入式橢圓形裂紋幾何形狀的圖。
[0012] 圖3B描繪嵌入式橢圓形缺陷的橢圓形區(qū)域等于報(bào)告反射物區(qū)域的接受的假設(shè)。
[0013] 圖4A描繪來(lái)自不同溫度的鉻-鉬-釩材料的疲勞測(cè)試數(shù)據(jù)。
[0014] 圖4B描繪其中示出均值和95%邊界預(yù)測(cè)的估計(jì)的擬合性能。
[0015] 圖5A、圖5B和圖5C分別描繪探測(cè)閾值0. 5mm的實(shí)際缺陷尺寸分布、疲勞壽命分布 和故障概率（"P〇F"）結(jié)果。
[0016] 圖6A、圖6B和圖6C分別描繪探測(cè)閾值1.0 mm的實(shí)際缺陷尺寸分布、疲勞壽命分布 和PoF結(jié)果。
[0017] 圖7A、圖7B和圖7C分別描繪探測(cè)閾值I. 5mm的實(shí)際缺陷尺寸分布、疲勞壽命分布 和PoF結(jié)果。
[0018] 圖8描繪一年服務(wù)壽命之后執(zhí)行的NDE數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的缺陷指示。
[0019] 圖9A、圖9B和圖9C分別描繪缺陷尺寸、疲勞壽命預(yù)測(cè)和PoF估算的概率密度函 數(shù)。
[0020] 圖10A-10B描繪PoF的中值和95% CI估計(jì)，其中圖IOA在閾值I. 0的情況下在超 聲NDE數(shù)據(jù)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)指示的情況，并且圖IOB描繪具有I. 8mm指示的情況。
[0021] 圖11是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于實(shí)現(xiàn)使用超聲NDE數(shù)據(jù)的概率性疲勞壽命預(yù) 測(cè)的方法的示例性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 本文描述的本發(fā)明的示例性實(shí)施例總的來(lái)說(shuō)包括依據(jù)無(wú)損檢查（在下文中 "NDE"）檢測(cè)和疲勞壽命參數(shù)考慮不確定性的概率性壽命預(yù)測(cè)的系統(tǒng)方法。雖然本發(fā)明允 許各種修改和替代形式，但是其特定實(shí)施例僅通過(guò)附圖中的示例示出并且將在本文詳細(xì)描 述。然而，應(yīng)該理解，不意圖限制本發(fā)明于公開(kāi)的特定形式，而是相反，本發(fā)明要覆蓋落入本 發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等效物和替代。此外，美國(guó)專利公開(kāi)No. 2013/0268214、 申請(qǐng)No. 13/855, 130,題目 "PROBABILISTIC FATIGUE LIFE PREDICTION USING ULTRASONIC INSPECTION DATA CONSIDERING EIFS UNCERTAINTY"的公開(kāi)通過(guò)引用的方式被全部并入本 文。
[0023] 1. 0 概括
[0024] 概率性方法提供用于不確定性管理和量化的合理途徑。下面的描述被如下組織。 開(kāi)始，使用經(jīng)典對(duì)數(shù)線性尺寸測(cè)定模型以耦合超聲NDE報(bào)告缺陷尺寸和實(shí)際缺陷尺寸，來(lái) 呈現(xiàn)探測(cè)概率（在下文中為"P0D"）建模。接著，開(kāi)發(fā)用于實(shí)際缺陷尺寸的概率性模型。以 后，描述概率性疲勞壽命預(yù)測(cè)的整體過(guò)程。呈現(xiàn)具有超聲NDE數(shù)據(jù)的真實(shí)世界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子 應(yīng)用，以演示缺陷尺寸、疲勞壽命和故障概率（在下文中為"PoF"）的估算。此外，描述超聲 NDE系統(tǒng)的探測(cè)閾值和其對(duì)評(píng)定結(jié)果的影響。也提供評(píng)定結(jié)果的解釋和誤差分析。
[0025] 2.探測(cè)概率建模
[0026] 總的來(lái)說(shuō)兩種途徑可用于POD建模。一種途徑使用僅記錄是否探測(cè)到缺陷的命 中/未命中數(shù)據(jù)。這種類型的數(shù)據(jù)用于諸如滲透測(cè)試或者磁顆粒測(cè)試之類的一些NDE方 法。在其他NDE檢測(cè)系統(tǒng)中，附加信息可用在測(cè)試數(shù)據(jù)中。例如，超聲NDE信號(hào)的信號(hào)幅度 和時(shí)間索引以及電磁響應(yīng)的電壓幅度和位置信息。在那些情況下，缺陷尺寸或者缺陷嚴(yán)重 性與信號(hào)響應(yīng)緊密相關(guān)，由此NDE數(shù)據(jù)也稱為信號(hào)響應(yīng)數(shù)據(jù)。信號(hào)響應(yīng)數(shù)據(jù)通常是連續(xù)的 并且表示為查詢的變量通常表示為a。例如，a可以是缺陷的實(shí)際尺寸，并且是基于超 聲NDE信號(hào)的報(bào)告尺寸。本發(fā)明考慮信號(hào)響應(yīng)數(shù)據(jù)。已經(jīng)在很多研究中公開(kāi)了;;.和Ina通 常線性地相關(guān)。見(jiàn) Berens, A.P·，"NDE Reliability Data Analysis"，ASM Handbook,卷 17，1989 年，第 689-701 頁(yè)（在下文中，"1^代118"）和3(3111161(161'，〇，1?11(11;[11，工，"1^￥16界 of Statistical Methods Used in Quantifying NDT Reliability'，, Insight-Non-Destru ctive Testing and Condition Monitoring, 2004 年 2 月 I 日，卷 46，第 2 號(hào)，第 77-79 頁(yè)，二者以引用的方式被全部并入本文。相關(guān)性可以表達(dá)為
[0028] 其中，ε是具有零均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差σ E的正態(tài)隨機(jī)變量。α和β二者是擬合參 數(shù)。根據(jù)測(cè)量設(shè)備的測(cè)量噪聲和物理極限假設(shè)預(yù)定義閾值&也可以由制造準(zhǔn)則和標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定。例如，供應(yīng)商可以考慮指示小于LOOmm是安全的以被忽略。如果i超過(guò)^,的閾 值值則缺陷視為被識(shí)別出，并且尺寸a的探測(cè)概率可以被表達(dá)為：
[0030] 其中，Pr (·)表示事件（·）的概率。使用公式（I)，POD函數(shù)被改寫(xiě)為
[0032] 其中Φ(·)是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)累積分布函數(shù)（在下文中，"⑶F"）。如果變量ε遵循與 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布不同的另一概率分布，則應(yīng)該使用ε的對(duì)應(yīng)CDF。
[0033] 由于其相對(duì)簡(jiǎn)單的模型結(jié)構(gòu)和缺陷尺寸a被確保是正標(biāo)量的性質(zhì)，對(duì)數(shù)線性模 型是最廣泛使用模型之一。諸如線性模型或者其他基于物理的模型之類的其他模型可以 用于耦合報(bào)告缺陷尺寸和實(shí)際缺陷尺寸。從所有可用模型格式選取特定模型格式依賴于 諸如