7075铝合金疲劳裂纹的振动红外热成像检测研究
发布时间：2021-08-09 03:53
铝合金因密度低、强度高、塑韧性好、抗腐蚀性良好等优点被广泛应用在航空航天、交通运输等重要工业领域,如飞机、卫星、铁路客车等都有铝合金的应用。但航空航天飞行器在每次飞天往返过程受到往复交变应力、空气摩擦等影响下易产生缺陷,常见的如疲劳裂纹。若服役中的设备缺陷检测不及时,会造成缺陷一步扩大,严重者会产生裂纹失效,造成巨大的经济损失以及安全事故,因此对于缺陷的检测极为重要。而振动红外热成像检测技术对疲劳裂纹适用性较强,对微裂纹检测效果较好,所以本文主要研究红外检测中振动红外热成像检测技术对航空航天领域常用的7075铝合金疲劳裂纹的检测。本文采用有限元模拟与红外实验结合的方法,从激励参数、检测参数和裂纹参数三方面对铝合金疲劳裂纹进行检测。利用模拟来探究激励参数和生热的关系,研究了检测参数对检测效果的影响,探讨了裂纹参数以及裂纹两侧的振动幅度与生热的关系。主要结论如下:（1）数值模拟表明:振动红外热成像技术在检测时受激励振幅的影响较大,裂纹处的生热和振幅成线性正相关。激励频率对裂纹处的生热规律不明显,但生热较大时其振型较为剧烈。随着激励时间的增加裂纹处生热也会增加,但到了一定时间不在增加,因此选...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铝合金在航空航天的应用Fig.1-1Applicationofaluminumalloyinaerospaceindustry
1绪论3图1-2主动红外热像法的四种激励方式Fig.1-2Fourexcitationmodesofactiveinfraredthermalimaging振动红外热成像作为新兴起的红外检测方法的一种，尽管国内外有大量的研究者已经对其开展了研究性工作，但其还处于发展阶段，离实际工程应用还有待进一步的探究。为了提高该方法对缺陷检测可靠性并开发其应用，还需要进行更系统的研究来发现其背后的物理现象。本课题来源于基金项目：国家自然科学基金资助项目(51675532，51535011)。本文选用的材料为航空航天领域常用的7075型号铝合金。通过振动红外热成像的技术对铝合金疲劳裂纹检测，并根据实际试验来探究激励参数、检测参数和裂纹参数等对检测结果的影响，最后得到一套适合铝合金疲劳裂纹检测的参数。1.2振动红外热成像检测主要发展历程振动红外热成像检测技术又称为超声红外热成像技术、声波红外、热波或弹性热波法。声波热成像检测法产生于20世纪70年代后期，由Henneke等人[20]首次提出。他们发现对样品施加高频振动激励时，样品缺陷部位可能产生热量，再使用红外摄像机可探测出损伤部位。在此基础上，Adams等人[21-22]提出了振动红外热像检测方法，但由于当时计算机性能和红外摄像能力的限制，仿真计算和实验验证都比较困难，后来随着计算机性能和红外摄像机测量精度的提高，振动红外热像检测的才有了突破性的进展。Favro等人[23]使用脉冲高频声波结合红外成像分别对一个陶瓷杯和铝棒进行了检测，发现可以清晰的看到缺陷位置和裂纹长度。在此之前的研究者，如Busse等人[24]使用锁相热成像的方法对碳纤维复合材料进行检测，该方法耗时长、人工调节信号不利于实时现场检测。随着该技术
and等人[31-32]使用该技术对75个钛和7个铬镍铁样品进行了评估，该研究的目的是提供一些可信的检出概率数据集，此课题组后来建立了一个声波红外测量系统，采用宽带换能器代替超声波焊机产生振动并引起裂纹热量变化。在此基础上斯图加特大学(德国)的学者Solodov和Busse提出了局部缺陷共振(LocalDefectResonance，LDR)(每个样品都存在固有频率，当激励频率与固有频率相同时达到共振)的方法，发现局部缺陷共振能提高UIT[33-34]的效率和灵敏度，并通过该方法对一种具有平底孔缺陷的聚甲基丙烯酸甲酯板进行了低能量的实验测试，如图1-3所示，结果表明，局部缺陷共振适用于固体材料的缺陷检测。图1-3局部缺陷共振检测对照图[33]Fig.1-3Localdefectresonancedetectioncomparisonchart振动红外热成像的振动源主要由超声波发生器、压电换能器和信号放大器等组成。激励信号涉及到连续、调制或脉冲弹性波，常见检测技术有超声锁相热成像、超声脉冲热成像和超声扫描热成像等[35-37]。一般的激励装置有超声波焊枪、磁致伸缩换能器、蜂鸣压电片等，其中超声波焊枪装置如图1-4所示。它能产生20kHz的机械波、两千瓦的功率，该设备的缺点是频率固定，可调参数只有预紧力和激励时间，激励时选用合适的耦合材料会使得焊枪和被测材料之间产生良好的声学耦合效果，从而使得超声能量可以充分导入试件，同时耦合材料也有效减少对试件的损伤[38-40]。在图像捕捉方面，采用高灵敏度的红外摄像机来记录每一帧的图像，实现对缺陷部位热量变化的实时监测，计算机用来进行图像处理和分析数据。这种检测系统一般带有控制单元，用于同步超声波激发和数据采集[41-42]。检测时被测物件的发射率和红外摄像机噪声等可能会影响成像的效果，因此导致红外成像效果有时不佳。在这种情况下
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空铝合金材料低温裂纹扩展研究现状与展望[J]. 刘牧东. 航空工程进展. 2020(01)
[2]基于振动红外热像技术的承压材料裂纹检测[J]. 董丽虹,向明,王海斗,郭伟,王博正,高治峰. 锻压技术. 2019(06)
[3]阳极氧化铝表面激光处理工艺与机理[J]. 李彤彤,沈宝东,李重河,兰豹豹,陈光耀. 激光与光电子学进展. 2019(18)
[4]超声热成像对含曲率TC4结构表面裂纹的检测仿真[J]. 贾庸,张瑞民,张炜,刘继方,杨正伟. 表面技术. 2018(10)
[5]心血管临床试验应用的材料研究[J]. 何献春,贾国力. 当代化工. 2018(07)
[6]金属结构疲劳裂纹超声红外无损检测研究现状[J]. 向明,董丽虹,王海斗,郭伟. 激光与红外. 2018(06)
[7]涂层厚度对再制造零件失效形式的影响[J]. 温飞娟,董丽虹,王海斗,吕振林,底月兰. 表面技术. 2018(03)
[8]超声红外锁相热像中金属疲劳裂纹的生热特性[J]. 冯辅周,闵庆旭,朱俊臻,徐超,曹维. 红外与激光工程. 2017(07)
[9]超声椭圆振动切削硬质合金脆性-延性转变临界条件研究[J]. 段鹏,焦锋,赵波,李杰,牛赢. 机械科学与技术. 2017(07)
[10]铝合金梁裂纹振动红外热像检测的数值模拟[J]. 管和清,郭兴旺,马丰年. 无损检测. 2016(09)
硕士论文
[1]7XXX系铝合金疲劳性能优化研究[D]. 宫柏山.沈阳工业大学 2019
[2]面向整车关键性能匹配的悬架衬套优化研究[D]. 张瑞.重庆理工大学 2019
[3]再制造零件界面特性对裂纹扩展行为影响的研究[D]. 温飞娟.西安理工大学 2018
[4]基于涡流脉冲热成像的闭合疲劳裂纹检测方法研究[D]. 张康.西南交通大学 2018
[5]基于超声红外热像的CFRP结构损伤检测方法研究[D]. 陈山.武汉理工大学 2018
[6]金属结构件裂纹超声红外热像检测及其激励参数影响规律研究[D]. 李赞.湖南科技大学 2016
[7]基于电磁波传播特性的在线无损检测系统[D]. 任宏基.重庆大学 2016
[8]感应激励红外热像无损检测技术研究[D]. 李托雅.南京航空航天大学 2013
[9]三元合金形成焓理论模型及其在铝合金相变预测中的应用研究[D]. 谷玉娟.东北大学 2009
本文编号：3331311
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铝合金在航空航天的应用Fig.1-1Applicationofaluminumalloyinaerospaceindustry
1绪论3图1-2主动红外热像法的四种激励方式Fig.1-2Fourexcitationmodesofactiveinfraredthermalimaging振动红外热成像作为新兴起的红外检测方法的一种，尽管国内外有大量的研究者已经对其开展了研究性工作，但其还处于发展阶段，离实际工程应用还有待进一步的探究。为了提高该方法对缺陷检测可靠性并开发其应用，还需要进行更系统的研究来发现其背后的物理现象。本课题来源于基金项目：国家自然科学基金资助项目(51675532，51535011)。本文选用的材料为航空航天领域常用的7075型号铝合金。通过振动红外热成像的技术对铝合金疲劳裂纹检测，并根据实际试验来探究激励参数、检测参数和裂纹参数等对检测结果的影响，最后得到一套适合铝合金疲劳裂纹检测的参数。1.2振动红外热成像检测主要发展历程振动红外热成像检测技术又称为超声红外热成像技术、声波红外、热波或弹性热波法。声波热成像检测法产生于20世纪70年代后期，由Henneke等人[20]首次提出。他们发现对样品施加高频振动激励时，样品缺陷部位可能产生热量，再使用红外摄像机可探测出损伤部位。在此基础上，Adams等人[21-22]提出了振动红外热像检测方法，但由于当时计算机性能和红外摄像能力的限制，仿真计算和实验验证都比较困难，后来随着计算机性能和红外摄像机测量精度的提高，振动红外热像检测的才有了突破性的进展。Favro等人[23]使用脉冲高频声波结合红外成像分别对一个陶瓷杯和铝棒进行了检测，发现可以清晰的看到缺陷位置和裂纹长度。在此之前的研究者，如Busse等人[24]使用锁相热成像的方法对碳纤维复合材料进行检测，该方法耗时长、人工调节信号不利于实时现场检测。随着该技术
and等人[31-32]使用该技术对75个钛和7个铬镍铁样品进行了评估，该研究的目的是提供一些可信的检出概率数据集，此课题组后来建立了一个声波红外测量系统，采用宽带换能器代替超声波焊机产生振动并引起裂纹热量变化。在此基础上斯图加特大学(德国)的学者Solodov和Busse提出了局部缺陷共振(LocalDefectResonance，LDR)(每个样品都存在固有频率，当激励频率与固有频率相同时达到共振)的方法，发现局部缺陷共振能提高UIT[33-34]的效率和灵敏度，并通过该方法对一种具有平底孔缺陷的聚甲基丙烯酸甲酯板进行了低能量的实验测试，如图1-3所示，结果表明，局部缺陷共振适用于固体材料的缺陷检测。图1-3局部缺陷共振检测对照图[33]Fig.1-3Localdefectresonancedetectioncomparisonchart振动红外热成像的振动源主要由超声波发生器、压电换能器和信号放大器等组成。激励信号涉及到连续、调制或脉冲弹性波，常见检测技术有超声锁相热成像、超声脉冲热成像和超声扫描热成像等[35-37]。一般的激励装置有超声波焊枪、磁致伸缩换能器、蜂鸣压电片等，其中超声波焊枪装置如图1-4所示。它能产生20kHz的机械波、两千瓦的功率，该设备的缺点是频率固定，可调参数只有预紧力和激励时间，激励时选用合适的耦合材料会使得焊枪和被测材料之间产生良好的声学耦合效果，从而使得超声能量可以充分导入试件，同时耦合材料也有效减少对试件的损伤[38-40]。在图像捕捉方面，采用高灵敏度的红外摄像机来记录每一帧的图像，实现对缺陷部位热量变化的实时监测，计算机用来进行图像处理和分析数据。这种检测系统一般带有控制单元，用于同步超声波激发和数据采集[41-42]。检测时被测物件的发射率和红外摄像机噪声等可能会影响成像的效果，因此导致红外成像效果有时不佳。在这种情况下
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空铝合金材料低温裂纹扩展研究现状与展望[J]. 刘牧东. 航空工程进展. 2020(01)
[2]基于振动红外热像技术的承压材料裂纹检测[J]. 董丽虹,向明,王海斗,郭伟,王博正,高治峰. 锻压技术. 2019(06)
[3]阳极氧化铝表面激光处理工艺与机理[J]. 李彤彤,沈宝东,李重河,兰豹豹,陈光耀. 激光与光电子学进展. 2019(18)
[4]超声热成像对含曲率TC4结构表面裂纹的检测仿真[J]. 贾庸,张瑞民,张炜,刘继方,杨正伟. 表面技术. 2018(10)
[5]心血管临床试验应用的材料研究[J]. 何献春,贾国力. 当代化工. 2018(07)
[6]金属结构疲劳裂纹超声红外无损检测研究现状[J]. 向明,董丽虹,王海斗,郭伟. 激光与红外. 2018(06)
[7]涂层厚度对再制造零件失效形式的影响[J]. 温飞娟,董丽虹,王海斗,吕振林,底月兰. 表面技术. 2018(03)
[8]超声红外锁相热像中金属疲劳裂纹的生热特性[J]. 冯辅周,闵庆旭,朱俊臻,徐超,曹维. 红外与激光工程. 2017(07)
[9]超声椭圆振动切削硬质合金脆性-延性转变临界条件研究[J]. 段鹏,焦锋,赵波,李杰,牛赢. 机械科学与技术. 2017(07)
[10]铝合金梁裂纹振动红外热像检测的数值模拟[J]. 管和清,郭兴旺,马丰年. 无损检测. 2016(09)
硕士论文
[1]7XXX系铝合金疲劳性能优化研究[D]. 宫柏山.沈阳工业大学 2019
[2]面向整车关键性能匹配的悬架衬套优化研究[D]. 张瑞.重庆理工大学 2019
[3]再制造零件界面特性对裂纹扩展行为影响的研究[D]. 温飞娟.西安理工大学 2018
[4]基于涡流脉冲热成像的闭合疲劳裂纹检测方法研究[D]. 张康.西南交通大学 2018
[5]基于超声红外热像的CFRP结构损伤检测方法研究[D]. 陈山.武汉理工大学 2018
[6]金属结构件裂纹超声红外热像检测及其激励参数影响规律研究[D]. 李赞.湖南科技大学 2016
[7]基于电磁波传播特性的在线无损检测系统[D]. 任宏基.重庆大学 2016
[8]感应激励红外热像无损检测技术研究[D]. 李托雅.南京航空航天大学 2013
[9]三元合金形成焓理论模型及其在铝合金相变预测中的应用研究[D]. 谷玉娟.东北大学 2009
本文编号：3331311
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