基于駐波疲勞累積損傷的磁記憶效應及反問題研究.pdf

1、工業(yè)生產(chǎn)中，約有80％以上受動載荷作用的振動構件破壞是由疲勞失效引發(fā)的，而傳統(tǒng)的無損檢測技術無法解決疲勞裂紋形成前損傷的檢測和評價問題，造成設備在長周期運行過程中發(fā)生嚴重事故。研究表明，振動構件疲勞累積損傷過程中伴隨有磁記憶效應的累積，利用振動構件的磁記憶特征可以早期發(fā)現(xiàn)其疲勞損傷。但目前對振動構件的磁記憶問題研究不足，嚴重阻礙了該技術的應用與發(fā)展。本文的目標是通過基于駐波疲勞累積損傷與磁記憶效應關系的研究，為早期發(fā)現(xiàn)這類構件的疲勞累積

2、損傷部位及其嚴重程度提供評價依據(jù)。 振動構件疲勞累積損傷與振型有關，不同振型引起的損傷速率不同，具有不同的磁記憶特征。本文將理論推導、仿真分析和實驗驗證相結合，建立多種邊界條件下的各階諧波波形與累積損傷分布的數(shù)學模型，推導疲勞累積損傷度、損傷速率與磁記憶特征參量的關系，并利用模擬試驗系統(tǒng)驗證和完善，實現(xiàn)利用磁記憶方法對這類累積損傷構件進行早期診斷的目的。全文主要研究內容如下： 1.基于磁疇結構的能量理論，對單周期載荷力磁

3、效應進行了研究，并對單周期載荷磁記憶特征量進行了數(shù)值仿真，確定了鐵磁性材料單周期載荷的應力附加磁化強度的大小和方向。建立了應力與磁記憶特征量之間的關系。 2.結合多周期交變載荷作用下懸臂梁自由端漏磁場峰值累積過程的實驗研究和對磁后效的理論分析，確定了懸臂梁疲勞累積損傷過程中自由端漏磁場峰值的累積規(guī)律。 3.基于駐波理論，導出了懸臂梁、固支梁各階自振頻率的計算公式以及各階振型位移幅值、彎矩幅值、剪應力幅值和漏磁場強度的分布

4、函數(shù)。結合力磁效應理論，導出了懸臂梁、固支梁各階振型的力磁效應方程。 4.在理論分析的基礎上，利用ANSYS有限元軟件對懸臂梁和固支梁進行模態(tài)、諧響應分析和力磁效應仿真計算。實例分析證明了理論分析結果的正確性和有效性。 5.建立了基于駐波累積損傷的磁記憶檢測系統(tǒng)。對2Cr13、16MnR材料懸臂梁、固支梁在一至五階振型條件下，進行疲勞累積損傷實驗。為保證實驗的準確性，定期測試振動構件的阻尼系數(shù)和各階頻率。實驗結果表明，懸

5、臂梁、固支梁損傷速率和磁記憶特征都隨振型階數(shù)的變化而變化。相同邊界條件下，同階振型的磁記憶特征除峰值不同外，其它特征量相同。進一步證實了利用基于駐波累積損傷的磁記憶效應特征早期判斷振動構件破壞的危險性是可行的。 6.采用haar、db、bior等系列小波強制消噪以及經(jīng)驗消噪、小波指數(shù)下降消噪、3σ準則小波消噪等方法，對磁記憶檢測信號進行了濾波處理。綜合信噪比、光滑性和運算速度等參量，利用強制消噪中的db4小波對基于駐波累積損傷的

6、磁記憶檢測信號進行消噪處理，效果比較好。本文采用db4小波對實驗數(shù)據(jù)進行消噪處理，分解層數(shù)為4層。 7.磁記憶效應的反問題研究。振動構件疲勞累積損傷磁記憶檢測信號消噪后，對各階振型的磁記憶特征量進行了函數(shù)擬合。結合磁記憶檢測信號的FFT變換，確定了磁記憶特征與損傷規(guī)律的關系。提出了新的磁記憶判別準則，依據(jù)累積損傷力學，結合磁記憶特征分析，實現(xiàn)對振動構件疲勞累積損傷的早期診斷。 8.對旋轉振動構件的磁記憶特征進行了研究。離

7、心力的存在加大了每階駐波的頻率，在相同簡諧激振力下，磁記憶檢測曲線的過“零”點、“峰值”和“波節(jié)”的間距將縮短。利用基于駐波累積損傷的磁記憶特征對旋轉振動構件進行早期診斷時，需考慮以上因素的影響。 9.提出了基于磁記憶波形特征的振動構件疲勞累積損傷早期診斷的新準則。準則將整個構件的磁記憶特征綜合考慮，將過“零”點的統(tǒng)計數(shù)、位置分布和波形特征相結合，確定構件的振動類型和危險性，并結合K值(磁記憶檢測曲線的梯度)確定某一位置的危險程