超声检测在表面开口裂纹高度中的应用研究

摘要

材料的安全可靠性始终是人们非常关心的问题，而材料内部的各种缺陷如裂纹是导致材料和机件早期失效的主要原因之一。断裂力学研究证明，带有尖锐边缘的平面缺陷(如裂纹)危险性最大，导致的后果往往是灾难性的，同时还证明了受压零件中裂纹型缺陷距表面及其它缺陷的距离等都是关键的尺寸，而平行于零件表面的裂纹长度是次要的。因此，如何利用超声测定裂纹高度就成为超声检测研究者共同关心的一个问题。目前使用最为广泛的还是脉冲反射法，但对缺陷的定性和定量还不尽如人意。 本文设计了超声端点衍射法和超声端点反射法测量裂纹高度的方案，利用K=1、1.5、2、2.5的探头分别对高度为2、3、5、7、9、11、13、15、17、20mm的裂纹进行了超声测量。实验结果表明，对于端点衍射法和端点反射法，随着K值的增大，测量误差也增大，K=1时具有最高的测量精度，对各裂纹的测试误差均保持在±1mm之内。两种方法对于裂纹高度都具有选择性，对于端点衍射法，低高度裂纹的测量精度偏低于高度较大的裂纹；对于端点反射法，裂纹高度处于3mm以下时，测试误差较大，3～7mm裂纹测试误差较小，≥11mm的裂纹，测量误差变化趋于稳定。综合分析了两种方法在应用性和准确性上的优缺点，最后得出端点反射法更具有实际应用意义，并利用端点反射法以K=1的探头对弧形裂纹进行了高度测定，扩充了反射法的应用范围。 为了提高裂纹高度超声测量的准确性和使测试智能化，以端点反射法为基础方法，自行设计了基于端点反射法的BP神经网络，以不同的K值和对应K值测量的端点反射波声程差共28组数据作为网络的训练样本，经过训练和学习，利用所设计的网络预测裂纹高度，实验结果表明所设计的BP网络具有高度的准确性和扩展性，易于实现裂纹高度超声测量的高效化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1无损检测技术概述

1.2超声无损检测技术

1.2.1超声无损检测的发展趋势

1.2.2超声无损检测存在的问题

1.3裂纹高度超声检测国内外研究现状

1.4问题的提出

1.5论文主要研究内容

第二章超声无损检测的理论基础

2.1超声场

2.1.1波长、频率和波速

2.1.2超声波的类型

2.1.3超声场的特征值

2.1.4超声场的结构

2.2超声波的传播特性

2.2.1超声波的折射和反射

2.2.2超声波的衍射

2.2.3超声波的衰减

2.2.4超声波传播的速度特性

2.3超声对缺陷的定位定性与定量分析

2.3.1超声对缺陷的定位分析

2.3.2超声对缺陷的定性分析

2.3.3超声对缺陷的定量分析

2.4超声检测用探头及耦合剂

2.4.1超声检测用探头

2.4.2超声检测用耦合剂

2.5本章小结

第三章超声端点衍射法在裂纹高度中的应用

3.1引言

3.2裂纹高度端点衍射法测量方案

3.3端点衍射法测量表面开口裂纹高度

3.3.1实验设备、探头及试块

3.3.2测高实验

3.3.3实验结果

3.3.4实验结果分析

3.4本章小结

第四章超声端点反射法在裂纹高度中的应用

4.1引言

4.2裂纹高度端点反射法测量方案

4.3端点反射法测量表面开口裂纹高度

4.3.1实验仪器、探头及试块

4.3.2测高实验

4.3.3实验结果

4.3.4实验结果分析

4.4端点衍射法和端点反射法的比较

4.5端点反射法拓展性应用—弧形开口裂纹的测高

4.5.1试样的制备及测试方法

4.5.2实验结果

4.5.3实验结果分析

4.6本章小结

第五章基于BP神经网络的端点反射法裂纹测高

5.1引言

5.2裂纹高度预测的BP网络模型的设计

5.2.1裂纹高度预测的BP网络结构的确定

5.2.2裂纹高度预测模型的训练与学习

5.3裂纹高度预测实验及结果

5.4裂纹高度预测实验结果分析

5.5裂纹高度预测模型的适应性及扩展性实验

5.6本章结论

全文总结

附录部分裂纹信号数据原始图形

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢