基于駐波疲勞累積損傷的磁記憶效應(yīng)及反問題研究.pdf

1、工業(yè)生產(chǎn)中，約有80％以上受動(dòng)載荷作用的振動(dòng)構(gòu)件破壞是由疲勞失效引發(fā)的，而傳統(tǒng)的無損檢測(cè)技術(shù)無法解決疲勞裂紋形成前損傷的檢測(cè)和評(píng)價(jià)問題，造成設(shè)備在長周期運(yùn)行過程中發(fā)生嚴(yán)重事故。研究表明，振動(dòng)構(gòu)件疲勞累積損傷過程中伴隨有磁記憶效應(yīng)的累積，利用振動(dòng)構(gòu)件的磁記憶特征可以早期發(fā)現(xiàn)其疲勞損傷。但目前對(duì)振動(dòng)構(gòu)件的磁記憶問題研究不足，嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。本文的目標(biāo)是通過基于駐波疲勞累積損傷與磁記憶效應(yīng)關(guān)系的研究，為早期發(fā)現(xiàn)這類構(gòu)件的疲勞累積

2、損傷部位及其嚴(yán)重程度提供評(píng)價(jià)依據(jù)。 振動(dòng)構(gòu)件疲勞累積損傷與振型有關(guān)，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(dǎo)、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)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(xué)模型，推導(dǎo)疲勞累積損傷度、損傷速率與磁記憶特征參量的關(guān)系，并利用模擬試驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證和完善，實(shí)現(xiàn)利用磁記憶方法對(duì)這類累積損傷構(gòu)件進(jìn)行早期診斷的目的。全文主要研究內(nèi)容如下： 1.基于磁疇結(jié)構(gòu)的能量理論，對(duì)單周期載荷力磁

3、效應(yīng)進(jìn)行了研究，并對(duì)單周期載荷磁記憶特征量進(jìn)行了數(shù)值仿真，確定了鐵磁性材料單周期載荷的應(yīng)力附加磁化強(qiáng)度的大小和方向。建立了應(yīng)力與磁記憶特征量之間的關(guān)系。 2.結(jié)合多周期交變載荷作用下懸臂梁自由端漏磁場(chǎng)峰值累積過程的實(shí)驗(yàn)研究和對(duì)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(chǎng)峰值的累積規(guī)律。 3.基于駐波理論，導(dǎo)出了懸臂梁、固支梁各階自振頻率的計(jì)算公式以及各階振型位移幅值、彎矩幅值、剪應(yīng)力幅值和漏磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布

4、函數(shù)。結(jié)合力磁效應(yīng)理論，導(dǎo)出了懸臂梁、固支梁各階振型的力磁效應(yīng)方程。 4.在理論分析的基礎(chǔ)上，利用ANSYS有限元軟件對(duì)懸臂梁和固支梁進(jìn)行模態(tài)、諧響應(yīng)分析和力磁效應(yīng)仿真計(jì)算。實(shí)例分析證明了理論分析結(jié)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(cè)系統(tǒng)。對(duì)2Cr13、16MnR材料懸臂梁、固支梁在一至五階振型條件下，進(jìn)行疲勞累積損傷實(shí)驗(yàn)。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，定期測(cè)試振動(dòng)構(gòu)件的阻尼系數(shù)和各階頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)一步證實(shí)了利用基于駐波累積損傷的磁記憶效應(yīng)特征早期判斷振動(dòng)構(gòu)件破壞的危險(xiǎn)性是可行的。 6.采用haar、db、bior等系列小波強(qiáng)制消噪以及經(jīng)驗(yàn)消噪、小波指數(shù)下降消噪、3σ準(zhǔn)則小波消噪等方法，對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行了濾波處理。綜合信噪比、光滑性和運(yùn)算速度等參量，利用強(qiáng)制消噪中的db4小波對(duì)基于駐波累積損傷的

6、磁記憶檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行消噪處理，效果比較好。本文采用db4小波對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪處理，分解層數(shù)為4層。 7.磁記憶效應(yīng)的反問題研究。振動(dòng)構(gòu)件疲勞累積損傷磁記憶檢測(cè)信號(hào)消噪后，對(duì)各階振型的磁記憶特征量進(jìn)行了函數(shù)擬合。結(jié)合磁記憶檢測(cè)信號(hào)的FFT變換，確定了磁記憶特征與損傷規(guī)律的關(guān)系。提出了新的磁記憶判別準(zhǔn)則，依據(jù)累積損傷力學(xué)，結(jié)合磁記憶特征分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)構(gòu)件疲勞累積損傷的早期診斷。 8.對(duì)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)構(gòu)件的磁記憶特征進(jìn)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(cè)曲線的過“零”點(diǎn)、“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(duì)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行早期診斷時(shí)，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(dòng)構(gòu)件疲勞累積損傷早期診斷的新準(zhǔn)則。準(zhǔn)則將整個(gè)構(gòu)件的磁記憶特征綜合考慮，將過“零”點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)、位置分布和波形特征相結(jié)合，確定構(gòu)件的振動(dòng)類型和危險(xiǎn)性，并結(jié)合K值(磁記憶檢測(cè)曲線的梯度)確定某一位置的危險(xiǎn)程