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

摘要

机械设备关键结构件缺陷一旦没有及时发现，其扩展会导致整个结构件破坏失效极易导致安全事故的发生。结构件无损检测健康维护是机器安全运行的可靠保证。超声波红外热像无损检测方法是一项创新性地将超声波激励与红外热像技术结合的检测手段，独具其他无损检测方法不可比拟的优势。该方法被提出以来，国内外研究人员对该方法进行了各方面的研究，包括实验方面超声红外热像法对不同材料、不同缺陷类型的检测适用性以及理论方面超声红外热像法激励裂纹缺陷生热机制的研究、红外热图序列数据处理分析等。但目前为止，超声红外热像法在工程应用中超声波激励参数的选取仍然基本依靠操作人员的经验，暂无理论研究超声波激励参数对裂纹缺陷检测的影响。
　　本文针对机械设备结构件疲劳裂纹缺陷对超声红外热像无损检测方法的激励参数对裂纹缺陷生热影响规律进行分析研究，其中研究的超声波激励参数包括激励幅值、激励频率和激励位置。本文运用弹性理论基本原理、接触动力学理论和传热和传质基本理论等研究超声波激励结构件裂纹缺陷局部生热及热流传导至结构件表面过程，建立固热耦合理论模型和结构件温度场分布模型；运用有限元方法建立超声波红外热像法检测金属平板件裂纹的仿真模型，分析求解超声波激励金属结构件裂纹生热的整个过程得到超声波激励结束后裂纹缺陷的温度场分布；在超声红外热像无损检测实验台对预制裂纹缺陷平板件进行裂纹检测实验，通过实验数据与仿真结果对比分析，验证了通过建立的结构热耦合模型进行有限元分析的可行性；基于超声波激励结构件裂纹缺陷局部生热的固热耦合理论模型，研究了超声波激励参数对裂纹生热的影响规律。
　　通过研究超声波激励参数对裂纹生热的影响中发现，裂纹区域的生热量随着超声波激励幅值的升高而增加，但在不同的激励幅值范围内，裂纹生热量速率并不相同；小范围内变化的超声波激励频率与裂纹生热量二者之间不呈现线性关系，且当超声波的激励频率与待测结构件的自然频率接近时，超声波激励引起结构件发生共振，使得裂纹区域的生热量大大增加；的确存在一个最佳的激励位置使得在相同的激励条件下裂纹区域的生热量比其他激励位置的生热量更高，但在试件表面任何其他位置加载超声波激励都能使裂纹区域生热且温度足以被红外热像仪捕捉检测。

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第一章 绪论

1.1课题背景和意义

1.2超声波红外热像无损检测方法

1.3超声红外热像的研究现状

1.4本论文的主要工作

1.5 本章小结

第二章 超声波红外热像裂纹检测的理论建模

2.1 引言

2.2 超声波红外热像无损检测方法的基本原理

2.3 超声波激励下裂纹缺陷生热的理论分析

2.4本章小结

第三章 超声波红外热像裂纹检测理论模型的数值分析

3.1 引言

3.2 有限元法基础理论

3.3 固热耦合场有限元模型建立方法

3.4 超声波激励金属平板件裂纹生热有限元模型建立过程

3.5超声波红外热像检测不同长度裂纹的数值分析

3.6本章小结

第四章 超声波红外热像裂纹缺陷检测的实验验证

4.1 引言

4.2 实验准备工作

4.3超声红外热像裂纹检测过程

4.4不同长度疲劳裂纹检测结果

4.5 本章小结

第五章 超声红外热像检测的激励参数影响规律研究

5.1 引言

5.2 不同激励参数超声波激励裂纹缺陷生热的有限元仿真分析

5.3 不同激励参数超声波对裂纹生热影响仿真结果分析

5.4 超声红外热像激励参数影响规律研究的实验验证

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间参研项目和发表的论文