残余应力超声无损检测与调控技术研究

【摘要】：残余应力对机械构件的服役性能具有重大影响,尤其是对其强度、疲劳寿命和尺寸稳定性。如何快速、无损地检测与调控构件表面或一定深度内的残余应力一直是研究难点和热点问题。为了解决这一问题,本文首先对残余应力的声弹性检测、残余应力的高能超声调控进行了理论研究与仿真模拟。而后制定了残余应力检测与调控系统的技术指标与构成,建立了残余应力超声检测与高能超声调控的软硬件系统,其中主要提出了声时差优化算法,创新地将检测与调控系统结合,首次开发出高能超声调控状态下的残余应力在线实时监测系统,初步实现了残余应力检测与调控的闭环控制。进一步,考虑到工程现场的环境因素对检测精度的影响,研究了残余应力检测系统的标定与校准方法、残余应力检测的补偿理论与方法,通过与X射线残余应力分析仪的对比试验,以及不确定度分析等,验证了检测精度达到设计要求;在调控方面,通过三因素三水平的正交试验,研究了各影响因素对不同材料残余应力的调控规律,得到最佳调控参数。最后针对几种典型材料典型工程装备,利用自研的残余应力检测与调控系统,开展了服役状态下残余应力超声检测与原位局部调控的应用研究。第一章阐述了论文研究的目的和意义,对国内外残余应力无损检测技术、残余应力调控技术的最新现状进行了综述和对比分析,概述了全文的研究内容。第二章基于声弹性理论,研究了超声波传播速度和方向与应力的关系,对比研究了纵波、表面波和剪切波对应力的敏感度。基于斯涅耳定律,产生出沿着被测件表面传播的临界折射纵波,利用固定声程的声时法,推导了应力系数K的表达式,给出了应力系数与传播声程的理论关系。研究临界折射纵波的传播规律,并对传播过程进行有限元仿真分析。基于超声频率与渗透深度的关系,建立了应力深度梯度检测的理论模型,设计了C形应力试样来产生应力梯度,通过对比X射线应力分析仪测量值与C形试样应力仿真值,验证了模型的正确性。第三章对残余应力高能超声调控理论进行了研究。从两个方面阐释了高能超声调控残余应力的机理。一是研究了高能超声对位错的微观作用,建立了高能超声对晶格位错松弛作用的数学表达式;二是分析了高能超声对材料的宏观塑性诱导效应,通过塑性诱导仿真与实验,证实了高能超声能降低材料的屈服强度,激活错排原子,加快残余应力的消减过程。第四章开发与建立了残余应力超声检测与调控的软硬件系统。对声时差测量的不同算法组合进行了Matlab仿真,考虑了耦合剂薄膜厚度不均,以及被测件厚度不同带来的误差,提出了声时差优化算法。创新地将检测与调控系统结合,通过设计ZTC4钛合金的应力闭环调控实验,初步实现了残余应力检测与调控的闭环控制。第五章在残余应力声弹性检测原理基础上,提出了检测系统的标定与校准方法,着重开展了残余应力检测的补偿理论与方法研究。建立了温度对检测精度影响的理论模型,提出了温度补偿算法并试验验证;研究了晶体粒度和形态分布对检测精度的影响,提出了理论计算补偿法和拉伸试验补偿法并试验验证;对被测件表面弧度与粗糙度的影响进行分析,提出有效解决途径。通过对现场检测结果的不确定度分析,证实了系统的检测精度。在残余应力超声调控原理基础上,采用三种典型材料,研究了各因素对不同材料应力调控的影响规律,得到最佳调控参数。同时还研究了高能超声对材料硬度、强度和金相组织的影响,验证了残余应力高能超声调控理论。第六章利用研发的残余应力超声检测与调控系统,开展了针对铝合金焊接与铆接件、结构钢焊接件以及非金属件的残余应力检测与调控工程应用研究。根据现场应用的经验与效果,分别制定了检测工艺规范与调控工艺规范。