钢板电磁超声换能机理及塑性损伤的非线性超声检测

铁磁材料电磁超声换能器(electromagneticacoustic transducer,EMAT)的换能机制与外加磁场、材料的磁化特性和磁致伸缩特性有密切的关系,电磁超声波的产生很大程度上取决于材料的电磁特性和偏置磁场。首先,建立钢板电磁超声波的有限元模型,分析偏置磁场及被测试件的电磁特性对电磁超声换能机制的影响,通过引入不同磁导率和电导率等效模拟塑性变形试件,分析换能机制与电磁特性的关系,并在此基础上搭建基于电磁超声表面波的塑性变形检测系统。其次,通过对拉伸的标准工字板试件进行磁导率检测,得到不同塑性损伤试件与相对磁导率变化的对应关系。塑性变形会改变钢板的电磁特性,进而影响到检测信号的变化。最后,对塑性变形进行电磁超声非线性检测,得到相对非线性系数与塑性变形的对应关系,并验证塑性变形、电磁参数与非线性检测信号之间的关系。     

高频涡流加载下闭合裂纹的动态响应特性

闭合裂纹是金属材料疲劳损伤的早期表现形式之一,因其界面相互啮合且紧密接触使得传统电磁超声检测方法对于其检测效果并不理想。本文把非线性检测技术与电磁超声相结合,建立电磁换能机理产生的应力波与以非线性弹簧理论搭建的闭合裂纹响应过程的有限元模型,模拟高频涡流加载下电磁超声表面波传播过程中振动质点的位移分布及其幅频特性,通过分析二次谐波分量研究电磁超声表面波在含闭合裂纹金属铝板中的非线性传播特性,为电磁加载技术应用于闭合裂纹的超声非线性检测提供理论基础。     

变厚板塑性形变超声非线性响应及其实验

超声波在变厚板中的传播特性尚不明确,构建高精度超声非线性响应模型是将超声非线性技术用于变厚板早期损伤检测的关键。基于金属塑性形变的本构关系,推导单轴拉伸下变厚板塑性应变的分布方程,将表征变厚板塑性应变分布的函数与超声波波动方程结合,构建变厚板超声非线性响应模型。由构建模型可知：二次谐波幅值(A₂)与基波幅值(A₁)二次方的比值(A₂/A₁²)随传播距离及波数均呈“二次方”增长;相同传播距离,A₂/A₁²与总体塑性形变呈正相关,A₂/A₁²携带了变厚板塑性形变信息。在COMSOL中构建铝合金变厚板弹塑性模型,验证了利用线性方程描述变厚板塑性应变分布的合理性;构建电磁超声系统,验证了超声非线性响应模型的有效性。制备不同塑性形变的变厚板试件,研究电磁超声表面波在其中的传播规律。实验结果表明,构建的超声非线性响应模型能够精确描述变厚板中超声波的传播行为。该...     

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。     

钢板电磁超声表面波的仿真分析及缺陷定量检测

电磁超声换能器(EMAT)的换能机制与被测试材料的电磁特性密切相关,EMAT对不同电磁特性材料的响应不同。铁磁材料具有磁致伸缩效应,磁致伸缩的非线性导致其电磁超声换能机制变得复杂。该文依据铁磁材料的本构方程,考虑洛伦兹力、磁致伸缩效应和磁化力的共同作用,建立含有矩形槽裂纹钢板的电磁超声换能器有限元模型,仿真分析表面波对钢板中缺陷的响应特性,得出缺陷深度与反射系数、透射系数的关系,为钢板裂纹缺陷定量检测奠定基础。最后,对标准试件的不同深度裂纹进行实验研究,验证了仿真分析的正确性和有效性。     

不锈钢疲劳微损伤的非线性超声检测方法

针对常规超声技术无法检测微小疲劳损伤的问题,提出基于有限幅度法的疲劳损伤非线性超声检测方法。设计检测平台提供稳定可调的探头声耦合性能,提高非线性超声检测信号的稳定性;在各种激励电压下提取微损伤区的相对非线性系数,结合金相测量方法深入分析非线性系数对微小疲劳损伤的检测能力及激励电压对检测能力的影响。结果显示,相对非线性系数可定量表征金相实验无法观察的微疲劳损伤,激励电压可影响检测效率和检测分辨率,是非线性超声有限幅度法的关键检测参数。     

IGBT薄层电极脱落机理分析与寿命预测方法

芯片表面电极薄层脱落是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)封装模块的一种常见失效现象,因此对其失效机理分析与寿命的有效预测是整体器件可靠性评估中的一个研究要点。首先通过仿真分析了芯片表面电极的应力应变随功率循环载荷的变化情况,发现芯片表面铝电极薄层与引线的键合位置附近区域存在应力集中情况,且应力集中的位置与实验中失效样品的断裂位置一致。此外还发现应力集中区仅在起初的短时间内存在一个逐渐减小的塑性应变幅,随后由于材料硬化,塑性屈服点上移,直至失效塑性应变都不再变化,因此可以推测材料的断裂失效是由于稳定后的塑性应变和循环应力综合导致的,鉴于上述分析,提出了一种同时考虑材料硬化和应力疲劳的寿命预测公式,并采用其他两种条件下的实验寿命值评估了此公式的准确性,总体平均误差为1%。     

用于不同深度残余应力检测的电磁超声激励装置

基于临界折射纵波(longitudinal critically refracted waves,L_(CR))声弹性理论,采用不同激励频率的LCR波可对试件不同深度的平均残余应力进行测量。压电超声换能器都有其固定的激励频率,测量不同深度的应力需要更换所对应频率的压电换能器,操作较为繁琐。针对该问题,根据电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)激发原理,提出一种可以激发不同频率LCR波的电磁超声激励装置设计方案,并将其应用于试件不同深度应力的检测中,提高应力检测效率。设计电磁超声临界折射纵波激励装置,仿真分析不同频率LCR波的激励效果;制备应力随深度变化的待测试件,并基于电磁超声LCR激励装置对不同深度的应力进行检测,验证了该方法在检测金属结构不同深度的应力分布的有效性。     

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。     

塑性变形和疲劳对304不锈钢电磁属性的影响研究及微观结构分析（英文）

材料在地震和和长期的流体作用力/应力等外部环境力作用下,极易产生塑性变形和疲劳损伤等典型的微观损伤,这些微观损伤会严重影响材料的电磁属性并缩短结构的使用寿命。本文首先利用MTS试验机分别制作了塑性变形试件和疲劳试件;其次,研究了304奥氏体不锈钢的电磁属性与其塑性变形和疲劳损伤之间的关系;最后,根据微观结构分析讨论了其作用机理。研究发现,随着塑性变形的增加,材料的电导率下降,这归因于材料内部的微观缺陷的产生;随着塑性变形的增加,材料的磁极化强度上升,这归因于材料的非磁性奥氏体相到磁性马氏体相的相变。研究还发现,与塑性变形类似,疲劳损伤也会降低材料的电导率,提高材料的磁极化强度。     

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.     

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。     

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%。     

基于FPGA的超声信号自适应滤波与特征提取

针对电磁超声特征信号的非线性、非平稳特性,存在传统降噪丢失成分、特征难以提取的问题,该文提出一种用于电磁超声信号的自适应滤波和经验模态分解(EMD)方法相融合的数据处理算法。首先,对超声信号进行稳定性评估,在此基础上采用自适应滤波对电磁超声信号进行降噪处理,融入EMD的自适应滤波对特有频率噪声更敏感,利用EMD分解出不同时间尺度下波动时频信息及所包含的噪声频率成分,实现表征提取;然后,对EMD降噪后的超声信号进行重构,可消除频率混叠现象,并基于现场可编程门阵列(FPGA)实现了对电磁超声信号的实时降噪和特征提取,为进一步缺陷识别、缺陷评估便携化奠定了基础。最后,分别对带有微裂纹、塑性损伤的铝板进行实验研究,验证了该方法的有效性。该方法具有信噪比高、可实时提取时频信息和有效信息丢失少等特点,能对铝板中缺陷进行有效识别。     

一种新型窄磁铁聚焦式电磁超声表面波换能器EI北大核心CSCD

窄磁铁电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)利用较强的边缘磁场能够在铝板中激发出比常规EMAT幅值更大的超声波信号,但是窄磁铁磁场会导致激发的波形发生畸变,从而影响超声检测的可靠性。该文设计出一种新型窄磁铁聚焦式表面波EMAT,不仅修正窄磁铁磁场引起的波形畸变,而且使得激发的表面波幅值得到有效提升。首先,考虑磁场、相位、洛伦兹力贡献度等因素,推导出窄磁铁EMAT激励超声的合成公式,并通过并联分裂导线排布实现对波形畸变和频率偏移的修正。其次,研究磁铁与线圈尺寸参数对换能器激励效率的影响,并通过三维仿真对超声传播特性和聚焦效果进行分析。最后,制备窄磁铁聚焦式EMAT并进行表面波激励实验,结果表明:该文设计的表面波EMAT不仅实现对窄磁铁磁场引起的波形畸变的修正,而且同等磁通密度下激发的表面波信号时域幅值比常规EMAT提高55.92%,频域基频幅值提升69.7%,这为电磁超声表面波换能效率的提升及缺陷检测信号的有效提取提供新方法。     

基于CT图像和K-Means聚类算法研究混凝土细观损伤

混凝土CT图像细观损伤区没有明显的灰度特征,基于阈值及边缘检测的图像分割方法难以提取细观损伤信息。论文首次提出应用K-Means聚类算法深度挖掘混凝土CT图像内部蕴含的细观损伤信息。首先,对圆柱体混凝土试件进行了单轴静力压缩CT试验;然后,依据轮廓系数确定最优聚类簇数,利用K-Means聚类算法在非监督状态下寻找混凝土CT图像的最优划分,获得了包含细观损伤信息的分区图;最后,统计了细观损伤区域像素点总数,计算了混凝土损伤度。结果表明：从破坏区和细观损伤区图上能直观地观察到各应力阶段混凝土内部细观损伤的演化规律。细观损伤度随应力的变化具有规律性,峰值荷载前细观损伤发展经历了相对稳定期和稳定发展期,峰值荷载后细观损伤度减小,损伤聚集在裂缝周围,细观损伤经历不稳定发展期。K-Means聚类算法在分析混凝土损伤演化方面具有明显优势。     

电磁加载下铝板闭合裂纹的动态特性分析

板状或类板状金属结构在各类装备中应用广泛,闭合裂纹作为金属疲劳损伤的早期表现形式之一,一直是工程检测中所面临的难题。该文通过对铝板上的闭合裂纹进行电磁加载,激励闭合裂纹处于波动状态,并通过采集和分析应力波实现对闭合裂纹的检测。论文建立电磁加载下金属闭合裂纹的三维有限元模型,并在裂纹界面引入非线性弹簧模型,计算电磁加载下闭合裂纹区域的电磁场和位移场分布特征,分析不同电磁加载条件下金属闭合裂纹的动态特性,并对该检测方案进行实验,验证激励电流和加载位置等参数对电磁加载效果的影响。实验结果表明,闭合裂纹的存在,使得电磁加载下铝板中应力波的二次谐波成分更强。     

汽轮机转子暂态温度场及弹塑性应力有限元分析及其应用

本文研究了有限元素法在热传导和应力分析中的具体应用。文中对时间域的离散、材料非线性特性、位移边界条件处理及大型线性代数方程组的求解等问题进行了全面的讨论。并指出汽轮机转子暂态温度场和弹塑性应力场的求解特点和有限元程序编制的主要步骤。文中对200MW机组中压转子前轴封弹性槽的热应力集中系数和弹塑性应变集中系数进行了计算,并归纳出弹塑性应变集中系数与热应力集中系数、公称等价应力和材料性能参数的关系式。     

加载速率对汽轮机转子钢低周疲劳损伤的影响

加载速率反映了汽轮机转子启停及运行时温度变化速度与负荷变化速率。对火电厂汽轮机转子30Cr1Mo1V钢在538℃温度下的低周疲劳损伤进行试验研究,研究加载速率对实际低周疲劳损伤和预测低周疲劳损伤的影响。结果表明:在相同的寿命分数下,加载应变速率越大,低周疲劳损伤越小;在同一加载速率下,总应变幅越大对应的低周疲劳损伤也越大;在同等应变幅条件下,转子钢高温低周疲劳预测损伤比实际损伤大,加载速率较低时,转子钢高温低周疲劳预测损伤比较大;加载速率对材料损伤有显著影响的取值范围为0.1%-s-1≤ε≤0.2%-s-1。     

基于GTN模型对金属材料韧性断裂的模拟

基于GTN损伤模型采用Abaqus/explicit数值模拟软件模拟了API X65管线钢和Al 5052铝合金单轴拉伸实验,分析了材料损伤的演化过程,讨论了不同硬化指数材料以及GTN模型参数对模拟结果的影响和模型中参数标定的依据。结果显示:损伤模型可以准确地模拟材料的韧性断裂以及材料的损伤演变;硬化指数小的材料的承载能力受内部损伤的程度影响较大;形核参数fN对模拟结果影响最大,fN形核参数较大,材料形核率更高,试样的临界断裂应变减小。