裂纹发展趋势预估及转轮安全评估基础研究

论文摘要

疲劳裂纹是构件断裂事故的主要根源之一,混流式水轮机转轮叶片经常出现大量贯穿性疲劳裂纹,严重危及电站的安全运行。混流式水轮机转轮叶片出现裂纹或断裂的事故仍屡见不鲜,多在停机检修时,用超声、磁粉探伤等方法检测转轮裂纹,而对裂纹在线监测,动态的预测裂纹扩展趋势仍是一项技术难题。目前所遵循的水轮机转轮定期检查的规定已越显弊端,对转轮叶片的裂纹状态进行监测已经越来越迫切。本文以国家自然科学基金项目(50465002)——“混流式水轮机转轮叶片裂纹监测的理论和方法研究”为背景,研究疲劳裂纹扩展趋势预测;利用声发射技术对疲劳裂纹进行动态监测,根据裂纹的声发射信号对裂纹的状态进行分析;对转轮安全评估方法研究,为实现水轮机转轮状态监测奠定理论基础。论文首先介绍了疲劳裂纹扩展机理、疲劳裂纹扩展预测方法,利用灰色模型和神经网络对疲劳裂纹扩展进行预估。针对水轮机转轮叶片产生的疲劳裂纹,通过三点弯曲疲劳试验,采用声发射技术对金属疲劳裂纹的产生、发展、断裂过程进行监测,与传统的裂纹检测技术相比,声发射不仅能够实时的捕捉到疲劳裂纹的产生,而且能够得到与理论上疲劳裂纹扩展速率曲线相似的变化规律,建立了裂纹声发射信号特征参量与应力强度因子之间的数学关系式,并利用人工神经网络对裂纹的扩展阶段声发射源进行了模式识别,判断裂纹的危害程度。介绍水轮机转轮结构、裂纹产生的位置,分析裂纹产生的原因和提出预防裂纹产生的措施。根据混流式水轮机转轮裂纹的实际情况,研究基于声发射和振动技术对转轮叶片裂纹在线监测的理论方法,并对转轮进行疲劳寿命计算和安全评估基础方法研究,为实现对转轮在线监测和故障诊断奠定理论基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 疲劳裂纹扩展趋势预测研究现状及趋势
• 1.2.2 水轮机转轮裂纹及安全评估研究现状
• 1.3 声发射在疲劳裂纹检测中应用概述
• 1.3.1 声发射检测技术
• 1.3.2 声发射技术在裂纹检测中的应用
• 1.4 课题主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 疲劳裂纹发展趋势预估
• 2.1 疲劳裂纹扩展规律
• 2.2 疲劳裂纹扩展预测
• 2.2.1 疲劳裂纹扩展预测方法
• 2.2.2 预测精度评估指标
• 2.3 基于灰色模型裂纹扩展预测
• 2.3.1 GM（1，1）模型建立
• 2.3.2 残差GM（1，1）模型
• 2.3.3 预测实例
• 2.4 基于神经网络裂纹扩展预测
• 2.4.1 BP神经网络预测算法
• 2.4.2 神经网络预测模型建立
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于声发射疲劳裂纹扩展研究
• 3.1 金属疲劳裂纹声发射检测
• 3.1.1 疲劳裂纹的信号特性
• 3.1.2 金属裂纹声发射信号处理
• 3.1.3 疲劳裂纹检测抑制噪声方法
• 3.1.4 信号特征与疲劳裂纹大小的关系
• 3.2 试验实例及分析研究
• 3.2.1 拉伸试验研究
• 3.2.2 声发射技术预估疲劳裂纹发展趋势实验
• 3.3 疲劳裂纹扩展阶段声发射源的模式识别
• 3.4 本章小结
• 第四章 混流式水轮机转轮叶片裂纹分析
• 4.1 前言
• 4.2 混流式水轮机转轮结构及裂纹部位
• 4.3 混流式水轮机转轮裂纹成因分析
• 4.4 裂纹处理及预防措施
• 4.5 基于声发射转轮叶片裂纹扩展趋势预测方法
• 4.6 本章小结
• 第五章 混流式水轮机转轮安全评估基础研究
• 5.1 前言
• 5.2 水轮机转轮安全评估方法研究
• 5.2.1 水轮机振动安全评估
• 5.2.2 基于断裂力学转轮安全评估
• 5.2.3 基于振动与声发射技术转轮综合评价
• 5.3 安全评估方法适应性分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
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