基于驻波疲劳累积损伤的磁记忆效应及反问题研究

论文摘要

工业生产中,约有80%以上受动载荷作用的振动构件破坏是由疲劳失效引发的,而传统的无损检测技术无法解决疲劳裂纹形成前损伤的检测和评价问题,造成设备在长周期运行过程中发生严重事故。研究表明,振动构件疲劳累积损伤过程中伴随有磁记忆效应的累积,利用振动构件的磁记忆特征可以早期发现其疲劳损伤。但目前对振动构件的磁记忆问题研究不足,严重阻碍了该技术的应用与发展。本文的目标是通过基于驻波疲劳累积损伤与磁记忆效应关系的研究,为早期发现这类构件的疲劳累积损伤部位及其严重程度提供评价依据。振动构件疲劳累积损伤与振型有关,不同振型引起的损伤速率不同,具有不同的磁记忆特征。本文将理论推导、仿真分析和实验验证相结合,建立多种边界条件下的各阶谐波波形与累积损伤分布的数学模型,推导疲劳累积损伤度、损伤速率与磁记忆特征参量的关系,并利用模拟试验系统验证和完善,实现利用磁记忆方法对这类累积损伤构件进行早期诊断的目的。全文主要研究内容如下:1.基于磁畴结构的能量理论,对单周期载荷力磁效应进行了研究,并对单周期载荷磁记忆特征量进行了数值仿真,确定了铁磁性材料单周期载荷的应力附加磁化强度的大小和方向。建立了应力与磁记忆特征量之间的关系。2.结合多周期交变载荷作用下悬臂梁自由端漏磁场峰值累积过程的实验研究和对磁后效的理论分析,确定了悬臂梁疲劳累积损伤过程中自由端漏磁场峰值的累积规律。3.基于驻波理论,导出了悬臂梁、固支梁各阶自振频率的计算公式以及各阶振型位移幅值、弯矩幅值、剪应力幅值和漏磁场强度的分布函数。结合力磁效应理论,导出了悬臂梁、固支梁各阶振型的力磁效应方程。4.在理论分析的基础上,利用ANSYS有限元软件对悬臂梁和固支梁进行模态、谐响应分析和力磁效应仿真计算。实例分析证明了理论分析结果的正确性和有效性。5.建立了基于驻波累积损伤的磁记忆检测系统。对2Cr13、16MnR材料悬臂梁、固支梁在一至五阶振型条件下,进行疲劳累积损伤实验。为保证实验的准确性,定期测试振动构件的阻尼系数和各阶频率。实验结果表明,悬臂梁、固支梁损伤速率和磁记忆特征都随振型阶数的变化而变化。相同边界条件下,同阶振型的磁记忆特征除峰值不同外,其它特征量相同。进一步证实了利用基于驻波累积损伤的磁记忆效应特征早期判断振动构件破坏的危险性是可行的。6.采用haar、db、bior等系列小波强制消噪以及经验消噪、小波指数下降消噪、3σ准则小波消噪等方法,对磁记忆检测信号进行了滤波处理。综合信噪比、光滑性和运算速度等参量,利用强制消噪中的db4小波对基于驻波累积损伤的磁记忆检测信号进行消

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的目的和意义
• 1.2 国内外磁记忆检测技术的发展及研究现状
• 1.3 本文研究工作的主要内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 振动构件疲劳累积损伤力磁效应研究
• 2.1 铁磁材料的磁化机理
• 2.2 单周期交变载荷下构件力磁效应理论分析
• 2.3 悬臂梁交变载荷下疲劳累积损伤力磁效应实验研究
• 2.4 磁后效及磁老化
• 2.5 本章小结
• 第三章 振动构件疲劳累积损伤振动方程及其磁记忆特征
• 3.1 驻波数学模型的建立
• 3.2 各阶谐波力学方程
• 3.3 基于各阶谐波的疲劳累积损伤
• 3.4 梁各阶振型的磁记忆特征
• 3.5 梁自振频率、振型理论计算实例
• 3.6 本章小结
• 第四章 振动构件疲劳累积损伤磁记忆特征仿真分析
• 4.1 梁自振频率和谐响应有限元分析的数学模型
• 4.2 梁有限元模态分析
• 4.3 梁有限元谐响应分析
• 4.4 梁谐振的磁记忆特征
• 4.5 本章小结
• 第五章 振动构件基于驻波累积损伤磁记忆效应的实验研究
• 5.1 实验准备
• 5.2 梁阻尼系数和谐振频率的测量依据
• 5.3 阻尼系数和谐振频率的测量
• 5.4 驻波疲劳累积损伤实验
• 5.5 驻波疲劳累积损伤磁记忆效应实验结果分析
• 5.6 屏蔽状态对磁记忆效应检测结果的影响
• 5.7 本章小结
• 第六章 磁记忆信号的处理和特征量提取
• 6.1 小波分析和信号处理
• 6.2 金属磁记忆信号的分析
• 6.3 磁记忆信号数字滤波
• 6.4 磁记忆信号小波滤波
• 6.5 磁记忆信号小波消噪方法的选择
• 6.6 基于驻波累积损伤实验磁记忆检测数据小波消噪
• 6.7 本章小结
• 第七章 振动构件疲劳累积损伤磁记忆效应的反问题研究
• 7.1 磁记忆信号特征参量的拟合
• 7.2 磁记忆信号频谱分析
• 7.3 磁记忆特征与损伤规律的关系
• 7.4 磁记忆信号特征量的提取
• 7.5 旋转振动构件的磁记忆特征分析
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 创新性成果
• 8.3 今后工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间发表论文、参加科研情况
• 个人简历
• 附录A
• 中文详细摘要