基于涡流脉冲热成像的自然微裂纹关键技术研究

发布时间：2020-09-02 12:19

　　开展安全科技攻关和装备研发是我国“十三五”规划纲要的目标之一。无损检测与评估是保障重大工程装备及产品制造质量和安全性运行的关键技术,是保证材料质量和实现质量控制的有效手段。目前已被广泛应用于航空航天、铁路、核工业、电力系统和机械制造等诸多领域,并带来了显著的经济和社会效益。无损检测被誉为工业界的“质量卫士”。那么,裂纹就是“工业癌症”。疲劳裂纹在断裂前没有明显先兆信息,故容易造成灾难性的后果,引起巨大的经济损失和人员伤亡。工业界广泛应用的传统磁粉无损检测方法会受工件表面的覆盖层的影响,降低检测灵敏度,在检测过程中污染环境并依赖于人工判定,对在役大型设备及构件的关键部位的疲劳自然裂纹,特别是微裂纹,难以实施有效的无损检测与评价。近年来,涡流脉冲热成像作为一种新兴的多物理场耦合热成像无损检测手段,因其单次检测面积大、快速检测、非接触、无污染、空间分辨率高以及成像直观等优势,已被缺陷检测、失效分析、健康监测等方面广泛重视。针对自然微裂纹的检测与评估,涡流脉冲热成像无损检测主要存在三大挑战:首先,横向热扩散将对热图像产生模糊化影响,微裂纹产生的电磁-热场扰动将被淹没;其次,诸多因素会导致工件加热的不均匀,例如传感架构的选择、检测对象具有的复杂的几何结构和工件表面发射率不均匀等,降低了检测的空间分辨率;最后,针对在役工件,试件表面检测环境恶劣,可能会同时存在不同类型的缺陷,导致目标缺陷的提取与分离难度加大。针对上述挑战,本文从电磁热多物理场耦合机理出发,构建了数学-物理时间分割模型,建立了涡流脉冲热成像无损检测与评估的理论基础,明确了微裂纹的检测时间窗口,降低了横向热扩散的模糊化影响;随后,讨论了激励参数优化提高系统检测效能以及传感架构设计对电磁-热场均匀性的影响,分析了电磁-热场的均匀性对检测效果的影响;最终,以理论模型为基础,优化激励源做保障,提出了热模式对比算法,研究了疲劳微裂纹的电磁热成像无损检测与评估,对复杂几何结构与表面检测环境恶劣的在役冲击损伤工件中存在的自然微裂纹进行热模式提取、分离与评估。本文的主要研究内容和创新点如下:1)通过研究电磁热多物理场机理,建立数学-物理时间分割模型。从电磁能量以及时间尺度对电磁热成像各物理阶段进行理论推导,研究各阶段的特征时间。将涡流脉冲热成像划分为四个不同的物理阶段,并对各阶段进行了阐释。从热扩散方程出发,将电磁热多物理场参数进行分离。通过仿真与实验,人工裂纹与自然裂纹对数学-物理时间分割模型进行验证,从电磁场和热场角度,对不同物理阶段在检测中的影响进行了分析,并得出结论,加热初期阶段对金属表面裂纹缺陷的定量有良好的效果。最终,利用涡轮叶片自然边缘裂纹对理论模型结果进行了验证。解决了涡流脉冲热成像分阶段问题以及各阶段物理场对检测结果的影响,明确了微裂纹的检测时间窗口,降低了横向热扩散的模糊化影响,为疲劳微裂纹的涡流脉冲热成像检测奠定了理论基础。2)研究了基于时间分割模型的涡流脉冲热成像激励参数理论优化。采用控制变量法,讨论单一激励参数,不同感应加热时间与冷却时间,以及不同的激励电流,对检测结果的影响。从理论上为激励参数的选择提供了明确的指向性选择方案。最终实现了对激励参数的优化,提高了系统的检测效能,为微裂纹电磁热成像无损检测与评估提供了前提保障。3)为了研究电磁-热场均匀性对检测结果的影响,设计了均匀电磁热激励线圈。通过不同结构不同匝数的感应线圈设计,理论计算并比较这些线圈模型的电磁热多物理场的均匀性,实现电磁热激励线圈均匀性优化设计。在此基础上,针对边缘复杂几何结构,通过有限元仿真研究了线圈激发的均匀电磁场在检测中被破坏的情况,以及对热场的均匀性的影响,以螺栓根部微裂纹为测试对象,针对电磁-热场均匀性对微裂纹检测效果的影响进行了验证。最终,从激励参数优化以及传感架构的设计,针对压力容器焊缝自然微裂纹研究了电磁-热场均匀性对微裂纹检测效果的影响。4)以理论模型为基础,优化激励源做保障,提出了热模式对比算法,研究了疲劳微裂纹的涡流脉冲热成像无损检测与评估。通过捕捉缺陷与非缺陷之间热扩散模式的差别,解决了微弱电磁-热扰动信号的检测问题,最终,实现涡流脉冲热成像微裂纹微弱信号的特征提取与分离。热模式对比算法主要有热扩散运动特征提取以及缺陷分离两个过程。首先,从理论上建立了光流算法与热扩散理论的映射关系,通过光流向量对热扩散进行表征,提取了缺陷与非缺陷的热扩散运动特征。其次,通过计算微裂纹与外界强干扰之间的互相关系数选取最优的固定帧数间隔,将热图像序列在此间隔帧数下每两帧热图进行光流向量计算,形成新的光流数据集。此数据集将原始热图像数据集中单个像素点相互独立的温度信息进行了全局化动态联系,提取了原始数据中瞬态运动以及时-空域的信息,形成了基于光流场的热扩散数据集。通过热扩散的运动信息,将缺陷与非缺陷的热模式区别进行最大化提取。最后,将光流处理之后的新的数据集作为输入,通过主成分分析进行微裂纹热模式分离,最终实现了微裂纹微弱信号的特征提取与分离。5)最后针对飞机刹车系统冲击损伤在役试件,面对复杂几何结构、冲击面检测环境恶劣,多种缺陷共存等强干扰问题,提出了基于涡流脉冲热成像热模式对比算法,开展了自然疲劳微裂纹检测与评估的验证工作。首先,与标准的磁粉检测结果进行的对比验证,确定了热模式对比算法的有效性;其次,通过多组不同在役试件,验证了热模式对比算法的鲁棒性,从F-score以及信噪比的角度,分析比较了此算法的检测结果并与传统的热成像信号处理方法的结果。得出结论:热模式对比算法在飞机刹车系统冲击损伤试件微裂纹微弱信号的特征提取与分离上,与传统的热成像处理算法相比有了本质的提升,实现了疲劳微裂纹的检测与评估。上述研究将有助于电磁热成像无损检测领域对自然疲劳微裂纹无损检测的研究,有助于实现对疲劳微裂纹的发展演化进行预测和控制。为在役大型设备及构件的关键部位进行电磁热成像在线、便携式检测提供了科学基础,为代替传统的磁粉检测提供了潜力技术。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG115.28
【部分图文】：

重大安全事故,航空航天,疲劳裂纹

因要追溯到事故发生的几年前。那时这架飞机发生过小的机械事故，使得飞机材料疲劳而损坏断裂过。进行定期检修时，没有将飞机存在的安全隐患检测并，。事故发生时，机体在高速飞行的情况下，机舱内外产生巨大压差，此疲劳螺栓无法承受该压差，导致液压系统被破坏，气流灌入垂直尾翼内，尾翼上部向舵在一瞬间被撕裂而坠落。在 1989 年，美国联合航空由于尾部发动机叶片产生疲劳断裂，最终导致发被分解，液压系统不受控制使得飞机坠落。三年后，阿姆斯特丹的空难事故的祸首是发动机架的螺栓疲劳断裂，导致飞机的引擎失效而造成安全事故。2002 年华航 CI611 航班坠入海中。台“飞安会”公布事故调查报告显示，飞机的空难是由于客机尾部金属疲劳断裂引起了空中解体。2) 轨道交通系统在中国，随着高铁以及重载铁路的高速发展，铁路基础施设的保障与维护迎大挑战，对铁路钢轨服役性能和结构状态的检测与监测提出了更高的要求。随速铁路行车密度的增加和运行速度的提升，以及重载货运线路载重量的增加的负荷、挤压以及冲击的程度越来越大，钢轨故障和损伤发生的概率大大提高

滚动接触疲劳,重大安全事故,轨道交通系统,裂纹

第一章绪论头裂纹等。滚动接触疲劳是导致钢轨失效的重要原因，成为铁路部门以及广大学的关注焦点[6]，在历史上，多次脱轨、断轨事故都与之脱不开干系。1998 年德国一列高速列车在行驶中突然冲出轨道，其主要原因是由于列车其一节车厢的轮子内部产生疲劳断裂。2000 年 10 月，在英国，一辆以平均时速 185km/h 的列车由伦敦驶向利兹市，列车行驶到哈德菲尔德时，列车其中的八节车厢产生了脱轨，剩余两节车厢产生覆，对事故发生现场勘查后发现，距离断裂起始位置35m 长的钢轨发生了粉碎断裂。本次事故产生的主要原因为列车运行中钢轨产生了滚动接触疲劳裂纹。2004 年 4 月，在南非的 Spoornet 段铁路，连续两起列车脱轨事件都是由钢轨轨头疲劳裂纹导致钢轨横向断裂。2006 年，美国宾夕法尼亚州新布莱顿市发生了一起脱轨事件，导致大量货物倒河流。该列车脱轨事件也是由于滚动接触疲劳裂纹导致。

疲劳裂纹扩展,规律

电子科技大学博士学位论文力的方向扩展至宏观裂纹。当裂纹大于临界裂纹长度时，一旦截面有效承载力小于外界循环作用力，疲劳断裂就会在毫无征兆的情况下发生。因此，针对自然微裂纹的无损检测的研究就有着重大的意义，可以为在役大型设备及构件的关键部位提供安全保障[8]。图 1-3 展现了疲劳裂纹扩展规律，分为 4 个阶段。第一阶段是裂纹成核阶段，在此阶段交变应力的作用下，材料发生组织间的位错和滑移，形成微裂纹的核。第二阶段是微裂纹的产生，当裂纹成核后，沿滑移面扩展，其延伸方向与载荷方向呈45 夹角。此时裂纹大约十几 μm 长，深度在 0.05mm 以内，非单一裂纹。第三阶段裂纹扩展方向与载荷方向垂直，呈 90°。此阶段的一个非常重要的特征就是断口表面出现波纹，成为疲劳辉纹(Striations)，此时裂纹长度在 0.01mm 到裂纹临界尺寸。第四阶段，宏观裂纹扩展阶段，当裂纹扩大到临界尺寸时，产生失稳扩展而很快的断裂。无损检测针对疲劳裂纹的检测就在宏观裂纹扩展阶段。

【参考文献】