超声非线性技术检测金属零件应力和疲劳损伤的方法研究

发布时间：2020-07-23 23:36

【摘要】：在服役循环载荷作用下,制糖机械设备中的关键零件会出现早期性能退化、疲劳损伤、裂纹、残余应力等服役损伤,这些损伤是影响制糖设备安全运行的关键因素。因此,对制糖设备的零件服役损伤进行有效的检测与评估,对确保其安全服役具有很大的现实意义。利用超声非线性技术对制糖设备中零件的应力、疲劳损伤和疲劳裂纹进行有效的检测和表征。通过对超声非线性技术的试验研究,探究零件在不同服役损伤下的超声非线性响应,分析超声非线性特征参数、材料结构变化和服役损伤之间的关联,利用超声非线性参数对零件的服役损伤进行表征。并利用超声非线性技术对制糖设备关键零件——压榨机齿轮的疲劳累计损伤进行检测。此外,根据超声非线性输出信号的特点,利用现代非线性信号处理技术——混沌分形理论对超声非线性输出信号进行分析,为超声非线性检测技术提供一种有效的分析方法。本文的主要工作包括:(1)利用超声非线性技术表征金属零件的应力状态。当金属试件的应力状态增加时,超声非线性系数对应力变化的敏感系数远大于波速的敏感系数;且基于超声非线性系数的应力检测分辨率约为10MPa,而基于波速的应力检测分辨率为30MPa。因此,利用临界折射纵波的非线性特性能够有效的表征金属零件的应力状态。当临界折射纵波的传播方向与应力方向一致时,建立基于超声非线性综合参数的应力预测模型,该模型能够有效的预测试件的应力状态;当临界折射纵波的传播方向与应力方向不一致时(分别沿X1和X2方向),分别建立X1和X2方向上的应力预测模型,再根据平行四边形法则计算主应力的大小和方向,该方法能够有效预测主应力的大小和方向。(2)基于混频技术的金属零件疲劳寿命预测和疲劳裂纹检测。对不同疲劳寿命的试件进行共线混频试验,分析混频非线性系数与试件疲劳寿命之间的关系,探究试件微观结构的变化规律,分析混频非线性系数变化的根本原因。并提出混频非线性综合参数,建立基于混频非线性系数的疲劳寿命预测模型,该模型能够有效的预测同规格试件的疲劳寿命。在非共线混频检测中,对疲劳裂纹附近的检测点进行分析,得到混频非线性系数的云图分布图,能够可视化疲劳裂纹附近的疲劳损伤情况。利用共线混频和非共线混频技术相结合的方法,对金属试件内部的不可见疲劳裂纹进行定位和长度测量。(3)制糖设备关键零件——压榨机齿轮的早期疲劳损伤检测。对分别处于疲劳成核、微裂纹萌生和扩展、宏观裂纹形成及失效四个阶段的45号钢试件进行超声非线性试验,分析超声非线性系数的变化规律,探究超声非线性系数与材料微观结构之间的关系,建立45号钢疲劳损伤——超声非线性系数——材料微观结构之间的内在联系,为以45号钢为原材料的压榨机齿轮的疲劳损伤检测奠定基础。分别对压榨机齿轮的齿根部和中部进行超声非线性试验,计算不同检测点的二阶和三阶相对非线性系数,对齿轮内部的早期疲劳损伤情况进行评估。齿轮损伤评估结果与齿轮的实际服役状况是相符的。(4)超声非线性输出信号的混沌特性分析和Duffing振子检测。超声非线性输出信号是反映金属零件内部损伤、并经过复杂传播的非线性时间序列。为了能够有效的提取其非线性特性,利用混沌分形理论对超声非线性输出信号进行分析,计算其混沌分形特征量,如Lyapunov指数、关联维数和K熵,混沌分形特征值与超声非线性系数具有相似的变化趋势;分析结果表明混沌分形特征值可以有效的表征疲劳裂纹的演化规律,揭示疲劳裂纹扩展的非线性特征。利用改进的Duffing振子对超声非线性输出信号进行分析,不仅能够检测强背景噪声下的二次谐波信号,且能够估计微弱信号的幅值。
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG115.285
【图文】：

敏感系数,应力方向,传播方向,对应力

得到＝逦系数表示应力敏感系数，其绝对值越大表示该波对应力越敏感。逡逑以钢为例［１Ｃ）４］，每种波的应力敏感系数如图２－２所示。逡逑不同类型波对应力的敏感系数逡逑ｄ邋Ｉ邋Ｉ逦Ｉ逦ＩＩ逦Ｉ逦｜逦Ｉ邋｜逡逑１、沿应力方向传播的纵波逡逑８邋ｍａｍ邋２、垂直于应力方向传播的纵波逡逑３、传播方向沿应力方向、偏振方向垂直于应力方向逡逑７［逦的剪切波逡逑卜＿丨４、传播方向和偏振方向都垂直于应力方向的剪切波逡逑６逦５、传播方向垂直于应力方向、偏振方向平行于应力逡逑＾逦方向的剪切波逡逑＾５｜逦６、传播方向平行于应力的表面波逡逑＝＾逦７、传播方向垂直于应力的灥波逡逑篇；：■逦逡逑逦Ｊ逡逑１逦２逦３逦４逦５逦６逦７逡逑波的类型逡逑图２－２不同类型超声波的敏感系数逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋ｓｔｒｅｓｓ邋ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ邋ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｔｙｐｅｓ邋ｏｆ邋ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ逡逑由图２－２可知，沿应力方向传播的纵波对应力的敏感系数最大，表示沿应力方向传逡逑播的纵波对应力变化最敏感。当金属零件的应力方向为试件的水平方向时，临界折射纵逡逑波对该应力最敏感［１（）７］。逡逑含有残余应力的金属零件不仅影响超声波的传播速度，还会影响超声波的非线性特逡逑性

应力方向,传播方向,纵波,临界折射

当超声纵波从光疏介质传播到光密介质时，在两种介质的交界面会发生折射现象。逡逑当入射角为第一临界角时，折射纵波的折射角为９０°时，那么该折射纵波叫临界折射纵逡逑波（Ｌｃｒ波），如图２－３所示。第一临界角的计算公式为ｔ＝ａｒＣＳｉｎＭ／Ｆ２），其中Ｋ为纵逡逑１５逡逑

临界折射,纵波,机理,金属零件

界折射纵波非线性特性检测应力的机理分析逡逑折射纵波的非线性特性对金属零件的应力状态进行检测的原射纵波在含有不同应力状态的金属零件内传播时，超声波的谐波，根据超声接收信号非线性系数的变化对金属零件的应力的无损检测打下基础。逡逑／％逦邋逦八逡逑Ｉ…＿试样逦逦Ｌｃｉｗａｖｅ逦９０＾逡逑＾＾逦：逦？；邋应力方向逦丨逦Ｌｃｒ波传播距离逦应力方图２－４基于临界折射纵波非线性特性检测应力的原理逡逑

【参考文献】