開展安全科技攻關(guān)和裝備研發(fā)是我國“十三五”規(guī)劃綱要的目標(biāo)之一。無損檢測與評估是保障重大工程裝備及產(chǎn)品制造質(zhì)量和安全性運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù),是保證材料質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的有效手段。目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、鐵路、核工業(yè)、電力系統(tǒng)和機(jī)械制造等諸多領(lǐng)域,并帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。無損檢測被譽(yù)為工業(yè)界的“質(zhì)量衛(wèi)士”。那么,裂紋就是“工業(yè)癌癥”。疲勞裂紋在斷裂前沒有明顯先兆信息,故容易造成災(zāi)難性的后果,引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。工業(yè)界廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)磁粉無損檢測方法會受工件表面的覆蓋層的影響,降低檢測靈敏度,在檢測過程中污染環(huán)境并依賴于人工判定,對在役大型設(shè)備及構(gòu)件的關(guān)鍵部位的疲勞自然裂紋,特別是微裂紋,難以實(shí)施有效的無損檢測與評價(jià)。近年來,渦流脈沖熱成像作為一種新興的多物理場耦合熱成像無損檢測手段,因其單次檢測面積大、快速檢測、非接觸、無污染、空間分辨率高以及成像直觀等優(yōu)勢,已被缺陷檢測、失效分析、健康監(jiān)測等方面廣泛重視。針對自然微裂紋的檢測與評估,渦流脈沖熱成像無損檢測主要存在三大挑戰(zhàn):首先,橫向熱擴(kuò)散將對熱圖像產(chǎn)生模糊化影響,微裂紋產(chǎn)生的電磁-熱場擾動將被淹沒;其次,諸多因素會導(dǎo)致工件加熱的不均勻,例如傳感架構(gòu)的選擇、檢測對象具有的復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和工件表面發(fā)射率不均勻等,降低了檢測的空間分辨率;最后,針對在役工件,試件表面檢測環(huán)境惡劣,可能會同時存在不同類型的缺陷,導(dǎo)致目標(biāo)缺陷的提取與分離難度加大。針對上述挑戰(zhàn),本文從電磁熱多物理場耦合機(jī)理出發(fā),構(gòu)建了數(shù)學(xué)-物理時間分割模型,建立了渦流脈沖熱成像無損檢測與評估的理論基礎(chǔ),明確了微裂紋的檢測時間窗口,降低了橫向熱擴(kuò)散的模糊化影響;隨后,討論了激勵參數(shù)優(yōu)化提高系統(tǒng)檢測效能以及傳感架構(gòu)設(shè)計(jì)對電磁-熱場均勻性的影響,分析了電磁-熱場的均勻性對檢測效果的影響;最終,以理論模型為基礎(chǔ),優(yōu)化激勵源做保障,提出了熱模式對比算法,研究了疲勞微裂紋的電磁熱成像無損檢測與評估,對復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)與表面檢測環(huán)境惡劣的在役沖擊損傷工件中存在的自然微裂紋進(jìn)行熱模式提取、分離與評估。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1)通過研究電磁熱多物理場機(jī)理,建立數(shù)學(xué)-物理時間分割模型。從電磁能量以及時間尺度對電磁熱成像各物理階段進(jìn)行理論推導(dǎo),研究各階段的特征時間。將渦流脈沖熱成像劃分為四個不同的物理階段,并對各階段進(jìn)行了闡釋。從熱擴(kuò)散方程出發(fā),將電磁熱多物理場參數(shù)進(jìn)行分離。通過仿真與實(shí)驗(yàn),人工裂紋與自然裂紋對數(shù)學(xué)-物理時間分割模型進(jìn)行驗(yàn)證,從電磁場和熱場角度,對不同物理階段在檢測中的影響進(jìn)行了分析,并得出結(jié)論,加熱初期階段對金屬表面裂紋缺陷的定量有良好的效果。最終,利用渦輪葉片自然邊緣裂紋對理論模型結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。解決了渦流脈沖熱成像分階段問題以及各階段物理場對檢測結(jié)果的影響,明確了微裂紋的檢測時間窗口,降低了橫向熱擴(kuò)散的模糊化影響,為疲勞微裂紋的渦流脈沖熱成像檢測奠定了理論基礎(chǔ)。2)研究了基于時間分割模型的渦流脈沖熱成像激勵參數(shù)理論優(yōu)化。采用控制變量法,討論單一激勵參數(shù),不同感應(yīng)加熱時間與冷卻時間,以及不同的激勵電流,對檢測結(jié)果的影響。從理論上為激勵參數(shù)的選擇提供了明確的指向性選擇方案。最終實(shí)現(xiàn)了對激勵參數(shù)的優(yōu)化,提高了系統(tǒng)的檢測效能,為微裂紋電磁熱成像無損檢測與評估提供了前提保障。3)為了研究電磁-熱場均勻性對檢測結(jié)果的影響,設(shè)計(jì)了均勻電磁熱激勵線圈。通過不同結(jié)構(gòu)不同匝數(shù)的感應(yīng)線圈設(shè)計(jì),理論計(jì)算并比較這些線圈模型的電磁熱多物理場的均勻性,實(shí)現(xiàn)電磁熱激勵線圈均勻性優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上,針對邊緣復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu),通過有限元仿真研究了線圈激發(fā)的均勻電磁場在檢測中被破壞的情況,以及對熱場的均勻性的影響,以螺栓根部微裂紋為測試對象,針對電磁-熱場均勻性對微裂紋檢測效果的影響進(jìn)行了驗(yàn)證。最終,從激勵參數(shù)優(yōu)化以及傳感架構(gòu)的設(shè)計(jì),針對壓力容器焊縫自然微裂紋研究了電磁-熱場均勻性對微裂紋檢測效果的影響。4)以理論模型為基礎(chǔ),優(yōu)化激勵源做保障,提出了熱模式對比算法,研究了疲勞微裂紋的渦流脈沖熱成像無損檢測與評估。通過捕捉缺陷與非缺陷之間熱擴(kuò)散模式的差別,解決了微弱電磁-熱擾動信號的檢測問題,最終,實(shí)現(xiàn)渦流脈沖熱成像微裂紋微弱信號的特征提取與分離。熱模式對比算法主要有熱擴(kuò)散運(yùn)動特征提取以及缺陷分離兩個過程。首先,從理論上建立了光流算法與熱擴(kuò)散理論的映射關(guān)系,通過光流向量對熱擴(kuò)散進(jìn)行表征,提取了缺陷與非缺陷的熱擴(kuò)散運(yùn)動特征。其次,通過計(jì)算微裂紋與外界強(qiáng)干擾之間的互相關(guān)系數(shù)選取最優(yōu)的固定幀數(shù)間隔,將熱圖像序列在此間隔幀數(shù)下每兩幀熱圖進(jìn)行光流向量計(jì)算,形成新的光流數(shù)據(jù)集。此數(shù)據(jù)集將原始熱圖像數(shù)據(jù)集中單個像素點(diǎn)相互獨(dú)立的溫度信息進(jìn)行了全局化動態(tài)聯(lián)系,提取了原始數(shù)據(jù)中瞬態(tài)運(yùn)動以及時-空域的信息,形成了基于光流場的熱擴(kuò)散數(shù)據(jù)集。通過熱擴(kuò)散的運(yùn)動信息,將缺陷與非缺陷的熱模式區(qū)別進(jìn)行最大化提取。最后,將光流處理之后的新的數(shù)據(jù)集作為輸入,通過主成分分析進(jìn)行微裂紋熱模式分離,最終實(shí)現(xiàn)了微裂紋微弱信號的特征提取與分離。5)最后針對飛機(jī)剎車系統(tǒng)沖擊損傷在役試件,面對復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)、沖擊面檢測環(huán)境惡劣,多種缺陷共存等強(qiáng)干擾問題,提出了基于渦流脈沖熱成像熱模式對比算法,開展了自然疲勞微裂紋檢測與評估的驗(yàn)證工作。首先,與標(biāo)準(zhǔn)的磁粉檢測結(jié)果進(jìn)行的對比驗(yàn)證,確定了熱模式對比算法的有效性;其次,通過多組不同在役試件,驗(yàn)證了熱模式對比算法的魯棒性,從F-score以及信噪比的角度,分析比較了此算法的檢測結(jié)果并與傳統(tǒng)的熱成像信號處理方法的結(jié)果。得出結(jié)論:熱模式對比算法在飛機(jī)剎車系統(tǒng)沖擊損傷試件微裂紋微弱信號的特征提取與分離上,與傳統(tǒng)的熱成像處理算法相比有了本質(zhì)的提升,實(shí)現(xiàn)了疲勞微裂紋的檢測與評估。上述研究將有助于電磁熱成像無損檢測領(lǐng)域?qū)ψ匀黄谖⒘鸭y無損檢測的研究,有助于實(shí)現(xiàn)對疲勞微裂紋的發(fā)展演化進(jìn)行預(yù)測和控制。為在役大型設(shè)備及構(gòu)件的關(guān)鍵部位進(jìn)行電磁熱成像在線、便攜式檢測提供了科學(xué)基礎(chǔ),為代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磁粉檢測提供了潛力技術(shù)。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG115.28
【部分圖文】：

因要追溯到事故發(fā)生的幾年前。那時這架飛機(jī)發(fā)生過小的機(jī)械事故，使得飛機(jī)材料疲勞而損壞斷裂過。進(jìn)行定期檢修時，沒有將飛機(jī)存在的安全隱患檢測并，。事故發(fā)生時，機(jī)體在高速飛行的情況下，機(jī)艙內(nèi)外產(chǎn)生巨大壓差，此疲勞螺栓無法承受該壓差，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)被破壞，氣流灌入垂直尾翼內(nèi)，尾翼上部向舵在一瞬間被撕裂而墜落。在 1989 年，美國聯(lián)合航空由于尾部發(fā)動機(jī)葉片產(chǎn)生疲勞斷裂，最終導(dǎo)致發(fā)被分解，液壓系統(tǒng)不受控制使得飛機(jī)墜落。三年后，阿姆斯特丹的空難事故的禍?zhǔn)资前l(fā)動機(jī)架的螺栓疲勞斷裂，導(dǎo)致飛機(jī)的引擎失效而造成安全事故。2002 年華航 CI611 航班墜入海中。臺“飛安會”公布事故調(diào)查報(bào)告顯示，飛機(jī)的空難是由于客機(jī)尾部金屬疲勞斷裂引起了空中解體。2) 軌道交通系統(tǒng)在中國，隨著高鐵以及重載鐵路的高速發(fā)展，鐵路基礎(chǔ)施設(shè)的保障與維護(hù)迎大挑戰(zhàn)，對鐵路鋼軌服役性能和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的檢測與監(jiān)測提出了更高的要求。隨速鐵路行車密度的增加和運(yùn)行速度的提升，以及重載貨運(yùn)線路載重量的增加的負(fù)荷、擠壓以及沖擊的程度越來越大，鋼軌故障和損傷發(fā)生的概率大大提高

第一章 緒論頭裂紋等。滾動接觸疲勞是導(dǎo)致鋼軌失效的重要原因，成為鐵路部門以及廣大學(xué)的關(guān)注焦點(diǎn)[6]，在歷史上，多次脫軌、斷軌事故都與之脫不開干系。1998 年德國一列高速列車在行駛中突然沖出軌道，其主要原因是由于列車其一節(jié)車廂的輪子內(nèi)部產(chǎn)生疲勞斷裂。2000 年 10 月，在英國，一輛以平均時速 185km/h 的列車由倫敦駛向利茲市，列車行駛到哈德菲爾德時，列車其中的八節(jié)車廂產(chǎn)生了脫軌，剩余兩節(jié)車廂產(chǎn)生覆，對事故發(fā)生現(xiàn)場勘查后發(fā)現(xiàn)，距離斷裂起始位置35m 長的鋼軌發(fā)生了粉碎斷裂。本次事故產(chǎn)生的主要原因?yàn)榱熊囘\(yùn)行中鋼軌產(chǎn)生了滾動接觸疲勞裂紋。2004 年 4 月，在南非的 Spoornet 段鐵路，連續(xù)兩起列車脫軌事件都是由鋼軌軌頭疲勞裂紋導(dǎo)致鋼軌橫向斷裂。2006 年，美國賓夕法尼亞州新布萊頓市發(fā)生了一起脫軌事件，導(dǎo)致大量貨物倒河流。該列車脫軌事件也是由于滾動接觸疲勞裂紋導(dǎo)致。

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文力的方向擴(kuò)展至宏觀裂紋。當(dāng)裂紋大于臨界裂紋長度時，一旦截面有效承載力小于外界循環(huán)作用力，疲勞斷裂就會在毫無征兆的情況下發(fā)生。因此，針對自然微裂紋的無損檢測的研究就有著重大的意義，可以為在役大型設(shè)備及構(gòu)件的關(guān)鍵部位提供安全保障[8]。圖 1-3 展現(xiàn)了疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律，分為 4 個階段。第一階段是裂紋成核階段，在此階段交變應(yīng)力的作用下，材料發(fā)生組織間的位錯和滑移，形成微裂紋的核。第二階段是微裂紋的產(chǎn)生，當(dāng)裂紋成核后，沿滑移面擴(kuò)展，其延伸方向與載荷方向呈45 夾角。此時裂紋大約十幾 μm 長，深度在 0.05mm 以內(nèi)，非單一裂紋。第三階段裂紋擴(kuò)展方向與載荷方向垂直，呈 90°。此階段的一個非常重要的特征就是斷口表面出現(xiàn)波紋，成為疲勞輝紋(Striations)，此時裂紋長度在 0.01mm 到裂紋臨界尺寸。第四階段，宏觀裂紋擴(kuò)展階段，當(dāng)裂紋擴(kuò)大到臨界尺寸時，產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展而很快的斷裂。無損檢測針對疲勞裂紋的檢測就在宏觀裂紋擴(kuò)展階段。

【參考文獻(xiàn)】

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