钛合金疲劳裂纹的线性和非线性超声综合定量检测技术

钛合金航空部件的低周疲劳裂纹在常规线性超声检测技术中易被低估,是飞机服役的安全隐患。针对上述问题开展了钛合金疲劳裂纹的非线性超声调制检测及其定量技术研究,提出了钛合金疲劳裂纹的线性和非线性超声综合检测方法。首先,通过金相法和线性超声相控阵检测技术对疲劳裂纹进行定量检测;其次,搭建了抗干扰能力强的非线性超声调制检测系统并设计了传感器布置方法;最后,基于声场分布分析提出疲劳裂纹的非线性超声调制定量方法,并将其定量检测结果与超声相控阵检测技术相对比。研究结果表明,超声相控阵方法测量的宏观裂纹长度为12 mm,而非线性超声方法测量的微裂纹延伸至距窄槽端部20 mm处,非线性调制检测技术在检测微裂纹和闭合裂纹具有显著优势。     

铝合金拉伸塑性变形的非线性电磁超声检测

针对金属构件早期塑性损伤检测的难点问题,建立非线性电磁超声表面波弹塑性模型,通过改变材料内部塑性应变大小模拟不同程度的塑性损伤,研究应力应变、塑性损伤、超声非线性系数三者之间的关系,并利用非线性电磁超声实验方法,对拉伸变形的试件进行塑性损伤评估。搭建了非线性电磁超声表面波检测系统,对导入不同塑性变形的试件进行相对非线性系数的检测。实验结果表明,在材料屈服硬化阶段早期(ε≤5%),随着被测试件中导入塑性应变量的增加,相对非线性系数迅速增大;在材料屈服硬化阶段后期(5%<ε≤7%),随塑性损伤程度的增加,相对非线性系数增幅逐渐趋于平缓;在材料出现颈缩时(ε>7%),材料内部应力的降低导致相对非线性系数出现明显下降。据此,可以对塑性损伤的变化情况进行有效监测,并进一步评估材料的力学寿命。     

电磁加载对超声传播特性的影响

近年来,非线性超声技术在检测结构微损伤方面的能力引起了国内外学者广泛的关注。如何提高闭合裂纹引起的非线性声学响应是非线性超声检测技术要解决的关键问题。本文提出利用电磁加载的方式激励闭合裂纹处于动态扩展状态,并实现对超声的调制过程,进而产生较为强烈的超声非线性效应。通过研究电磁加载过程对闭合裂纹的激励效果,分析不同电磁加载参数对超声传播过程的影响特性,给出超声回波信号与电磁加载之间的对应关系,为超声非线性检测技术的工程应用提供重要依据。     

基于非线性电磁超声表面波混频方法的金属疲劳裂纹检测

针对铝合金板材疲劳损伤检测困难的问题,构建含有疲劳裂纹界面力模型的电磁超声表面波混频调制模型,研究不同激发频率下的非线性超声表面波的混频调制效果,进而确定了激励频率。分析电磁超声表面波在铝板中的传播情况,以及不同裂纹深度和长度对非线性混频效果的影响。最后进行非线性超声表面波混频检测实验,对完好试件及疲劳试件的非线性特征进行对比分析,研究边频分量随激励信号频率、幅值、信号时延以及裂纹长度不同的变化情况,得到边频分量与微裂纹长度的关系曲线。实验结果表明,如果铝板中存在疲劳裂纹,会有边频调制分量出现;当两列混频信号同时到达疲劳裂纹时,非线性调制效应最强;通过边频分量与微裂纹长度拟合出的关系曲线可以有效监测裂纹的扩展,从而为金属疲劳裂纹的定量检测奠定良好的基础。     

疲劳裂纹的电磁超声混频非线性检测

对金属结构中疲劳裂纹的检测是结构寿命预测和失效分析的关键,线性超声或其他无损检测方法难以有效识别疲劳裂纹。以非线性波动理论为基础,根据电磁超声换能器的激发特点和兰姆波(Lamb波)的波结构特点,设计双线圈Lamb波混频电磁超声换能器,建立混频电磁超声换能器有限元仿真模型,研究混频位置和非线性系数之间的关系,分析了不同裂纹深度对超声调制效应的影响。最后,进行疲劳裂纹的电磁超声混频非线性实验,通过铝板中两个声场是否发生非线性调制来判断铝板是否有疲劳裂纹;根据疲劳裂纹板中不同位置处的非线性系数大小,对疲劳裂纹进行定位;研究非线性系数随不同裂纹长度的变化情况,依据非线性系数的变化可以有效监测裂纹的扩展。研究结果证明了所设计的Lamb波混频电磁超声换能器检测疲劳裂纹的可行性、有效性。     

基于非线性超声的电缆接头硅橡胶热老化状态检测

针对硅橡胶的热老化问题，引入非线性超声检测方法展开相关的试验研究。对电缆接头硅橡胶试样在200℃下进行不同时长的热老化试验，测试分析老化试样的相对非线性系数、微观结构、表面形貌的变化趋势。结果表明：随着热老化时间的增加，硅橡胶的相对非线性系数呈现明显的上升趋势，基于测试结果拟合得到相对非线性系数与热老化时间之间具有良好的线性关联度，可决系数R2>0.95；热老化后硅橡胶的有机成分逐渐减少，交联程度逐渐增大，表面开始出现局部孔洞、裂纹、填料析出等微观缺陷，微观结构发生一定程度的劣化，导致超声非线性效应增强。     

含微裂纹铝材的电磁超声Lamb波混频非线性检测及量化分析

早期微裂纹的检测是结构失效分析的关键,该文利用电磁超声Lamb波混频检测的方法,综合考虑微裂纹界面呼吸作用的特点,以弹簧模型为基础并考虑微裂纹界面的迟滞效应和阻尼力,建立含有微裂纹的三维Lamb波混频非线性检测模型,模拟混频超声波作用下微裂纹的波动状况,分析混频超声波与微裂纹界面发生的非线性作用,研究微裂纹长度与深度的变化对混频调制效果的影响.最后搭建电磁超声混频非线性检测系统,根据差频非线性系数与和频非线性系数对微裂纹长度变化敏感性的不同定义了综合系数因子,量化分析微裂纹的长度.通过实验数据得到了综合系数因子与微裂纹长度之间的关系,并对微裂纹长度进行了预测.实验结果表明,利用综合系数因子可以对微裂纹长度进行有效的预测.     

反射式非线性超声评估P91钢蠕变状态的试验探究

超声非线性参量作为一种表征金属材料蠕变状态的参数,通常采用透射法进行检测时需要发射换能器和接收换能器分置于工件两侧,很难用于在役大型工件蠕变状态检测。针对透射法存在的问题设计了反射式非线性超声检测试验系统(只需一个超声换能器),通过分析一次底波的反射信号获得材料蠕变状态的信息。对带有焊缝的P91钢试块且蠕变时间分别为0 h、120 h、250 h,进行非线性超声检测。实验结果表明,对于蠕变时间120 h和250 h的试块母材区,二次谐波非线性参量相对无蠕变时增加量为2.9%、17.4%,试块焊缝区相对增加量为2%,23.6%,试块热影响区相对增加量为5.6%、34%。     

非线性绝缘的长周期梯形波响应特性测试系统

为了测试非线性绝缘电介质在低频电压激励下的响应特性,通过理论分析,提出了通过非线性绝缘介质在梯形电压波激励下的响应电流测试可得到非线性绝缘介质的电导特性和极化特性,并对测试系统的软、硬件进行了设计。硬件系统由信号发生器、线性高压放大器、微电流放大器、数据采集卡和计算机组成;在LabVIEW平台基础上开发了集数据采集、滤波、波形显示、数据存储等功能于一体的软件系统。阶跃激励下的响应测试证实该系统满足3Hz以下低频特性的测试,对线性和非线性介质的测试验证了系统设计的合理性。     

非线性连续损伤模型在汽轮机转子低周疲劳分析中的应用

针对当前汽轮机转子低周疲劳寿命估算存在较大误差的问题,引进了非线性连续损伤力学模型进行汽轮机转子低周疲劳损伤分析。首先对国产600MW汽轮机高压转子在冷启动和滑参数停机等典型工况下的瞬态温度场和热力场进行了弹塑性有限元分析,进而对热应力引起的低周疲劳损伤进行了估算,疲劳损伤的估算分别采用了非线性连续2种方法的估算结果表明,由于线性累积损伤理论是基于单轴假定之下,没有多轴应力的影响,在寿命预测时,高估了转子的寿命,而非线性连续损伤力学模型不仅考虑了多轴复杂应力的影响而且正确地反映了低周疲劳损伤的非线性累积过程,其分析结构更接近实际。