常用金属材料拉伸及疲劳裂纹声信号传播特性

论文摘要

随着声发射检测设备性能的不断提高和分析技术的不断完善,声发射检测技术已应用到石油、石化、电力、航空、航天、冶金、铁路、交通、煤炭、建筑、机械制造与加工等领域,实现了对设备的定期检测或在线监测。通过对检测或监测中发现的声发射源进行评价,完成对设备完整性的评价,确保设备的安全运行。在载荷作用下,材料发生损伤时便会有声发射信号产生,分析获取声发射源的声信号特性及其变化规律一直是声发射检测发展过程中关注和研究的问题。国内外开展了许多试验研究工作,取得一些研究成果,解决了声发射检测中的许多技术难题,促进了声发射检测技术的推广和应用。在诸多研究中,存在着对波导杆传播声信号特性、高温及低温下材料声信号分布特征、焊接缺陷声信号参数特性、疲劳裂纹声信号识别及提取等问题的研究不足,需要进一步开展研究工作,以解决声发射技术应用中的难题。目前我国80%以上的特种设备用材为16MnR、Q345的中厚钢板。为此,选用16MnR、Q345材料进行声发射信号研究工作,以解决声发射检测中的技术难题。本文的主要研究内容和结论概括如下：1.波导杆声发射信号的传播特性选用材料为20号钢,直径分别为4、6、8、10、12、14、16mm,长度为3.2m的圆钢在不同长度下的模拟断铅声信号试验研究,系统地研究了在波导杆的圆心断面、圆周表面进行模拟断铅信号,获得了波导杆尺寸对声信号的特征参数、时域波形、频谱特性的影响及变化规律,提出了声发射检测中波导杆结构尺寸的选用方法；通过焊接构件的波导杆对比试验,提出的声信号在波导杆的传播方式以信号在波导杆表面传播为主、端面传播为辅的观点,并在研究16MnR钢材料低温、高温环境下声信号分布规律的试验中,依据波导杆的选用方法采用了直径为6.4mm、长度在1.5m以内的圆钢作为低温、高温试验中的波导杆,接收到的声信号纵波分离清晰、幅值衰减较小,顺利完成了材料的试验工作。2.16MnR钢材在低温、高温环境下的声信号变化特征研究了16MnR钢材在-70-670。C温度范围内的不同温度下的拉伸试验,全面分析了试样拉伸过程中声信号参数随温度的变化规律,揭示了16MnR材料在一定的高温环境下呈现多次的屈服变化行为,提出了通过声发射信号变化趋势的研究,可以判断出材料的变形行为、受载荷状况及温度状况,弥补了声发射检测技术在材料低温、高温性能试验中的应用；在对声信号不同参数相关性的研究中,首次把试样拉伸过程的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段的相关性参数分开研究,得到了三个阶段的K值虽随温度呈现不同的变化趋势,但整体表现为屈服阶段相关性高,弹性阶段相关性次之,强化阶段相关性低的变化趋势；声信号的累积计数、累积能量在表征材料不同温度下的损伤情况时表现出了很好的一致性,可以很好地表征材料在温度下的损伤。3.16MnR钢材焊接缺陷的声信号特征分析研究了不同焊接缺陷在拉伸过程中的声信号分布特点,荻得了不同焊接缺陷的声信号分布规律：采用幅值、计数及能量持续时间关联分析,可以判断出试样内部缺陷屈服及开裂扩展的信号特点；通过分析试验中声信号分布特征,可以判断出材料所受的载荷状态,指导声发射实际检测中的加载工作，避免盲目加载造成的突发事故,确保声发射检测构件处于安全状态。采用断裂力学知识计算了拉伸试样中未焊透缺陷断裂时的应力值,对比验证了未焊透缺陷试样拉伸过程中开裂时产生丰富的声信号时的应力值高于应用断裂力学计算应力值,二者存在着误差,实现了声发射检测技术与断裂力学的有机结合,为声发射检测中声信号的评定提供断裂力学支持,对含缺陷构件的声发射检测有一定的指导意义。4.Q345全尺寸大桥索塔锚固结构模型疲劳裂纹声信号特征研究采用全尺寸大桥索塔锚固结构模型进行疲劳试验,对锚固结构左侧的疲劳裂纹进行声发射检测,研究了疲劳裂纹声发射检测时传感器的布置方法、疲劳裂纹声信号的识别和提取方法、特征参量值及裂纹信号随载荷周期性变化规律,并成功地从试验中,获取了疲劳裂纹的声信号。通过对疲劳裂纹声信号的定位,确定了疲劳裂纹产生的时间和位置,根据裂纹声信号的活性变化特征,完成了对索塔锚固结构的损伤程度评定,预测了索塔锚固结构裂纹的失效行为,为实现锚固结构的声发射在线实时检测或监测奠定了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 声发射技术的发展史
• 1.2.1 国外声发射技术的发展和现状
• 1.2.2 我国声发射技术的发展和现状
• 1.3 声发射检测技术的应用领域
• 1.4 声发射检测技术应用中需要解决的技术问题
• 1.5 课题需要研究的问题
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 声发射信号处理技术
• 2.1. 引言
• 2.2 声发射信号的分类
• 2.3 声信号的处理方法
• 2.3.1 参数分析
• 2.3.2 小波分析
• 2.3.3 声发射信号的谱分析
• 2.3.4 神经网络法
• 2.4 本章小结
• 第3章 波导杆中声信号的传播特性
• 3.1 引言
• 3.2 波导杆研究理论基础
• 3.3 波导杆中声信号传播特性研究方案
• 3.4 试验结果及分析
• 3.4.1. 声发射模拟源信号的时域波形分析
• 3.4.2 波导杆端面圆心处断铅声信号的特性分析
• 3.4.3 波导杆圆周表面上断铅声信号特性
• 3.4.4 声信号在波导杆中传播的波速计算
• 3.4.5 波导杆端面圆心断铅信号的频谱特性
• 3.4.6 波导杆圆周表面上断铅声信号的频谱分析
• 3.5 波导杆的实际应用
• 3.5.1 对接焊钢管（Φ429X12）上的断铅声信号实验
• 3.5.2 波导杆应用于焊接试板拉伸实验中的声信号特征对比研究
• 3.6 本章小结
• 3.6.1 声信号经波导杆传递后时域波形、幅值的特性
• 3.6.2 波导杆端而圆心断铅声信号的频谱特性
• 3.6.3 波导杆圆周表面断铅声信号的频谱特性
• 3.6.4 波导杆的实际应用
• 第4章 低温下的声发射信号研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验材料
• 4.3 试验设备及传感器布置
• 4.3.1 材料试验机
• 4.3.2 声发射仪器
• 4.3.3 传感器布置
• 4.4 实验过程
• 4.4.1 实验过程中的降噪处理
• 4.4.2 试验步骤
• 4.5 16MnR低温试验参数分析
• 4.5.1 载荷—应变曲线
• 4.5.2 低温下的声发射参数分析结果
• 4.5.3 声信号特征参数的相关性分析
• 4.5.4 声信号累计参数的相关性分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 高温下的声发射信号研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验装置
• 5.3 试验方法
• 5.3.1 降噪
• 5.3.2 试验步骤
• 5.4 高温下16MnR的声发射特性
• 5.4.1 高温下16MnR的拉伸载荷-应变曲线
• 5.4.2 声信号特征参数的分析
• 5.4.3 声信号参数相关性分析
• 5.4.4 声信号累积参数的相关性分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 焊接工件的声发射信号特性
• 6.1 引言
• 6.2 试验材料、设备及传感器布置
• 6.2.1 试验材料
• 6.2.2 试验设备
• 6.2.3 试验过程的降噪处理
• 6.2.4 试验步骤
• 6.3 试验结果及分析
• 6.3.1 无缺陷拉伸试样的声信号分析
• 6.3.2 缺陷试样的声信号分析
• 6.4 未焊透缺陷声发射试验中的断裂力学计算
• 6.4.1 缺陷开裂的断裂力学应力计算
• 6.4.2 拉伸过程的试验数据分析
• 6.5 焊接试样声信号参数的相关性分析
• 6.5.1 相关性分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 疲劳裂纹的声发射信号特性
• 7.1 引言
• 7.2 检测内容与方法
• 7.2.1 检测仪器
• 7.2.2 检测内容
• 7.2.3 声信号衰减量、速度的标定
• 7.3 噪声信号和裂纹信号的识别
• 7.3.1 噪声信号和裂纹信号的识别
• 7.3.2 声信号的提取
• 7.4 疲劳裂纹声信号的特性
• 7.4.1 疲劳裂纹声信号的周期性
• 7.4.2 加载方式对裂纹信号特征参数的影响
• 7.5 实时监测
• 7.6 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 本文创新点
• 8.3 研究展望
• 参考文献
• 附件1 小波分析MATLAB源程序
• 致谢
• 在读期间发表的论文