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《哈尔滨工业大学》 2007年
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基于磁记忆技术的疲劳损伤评估及寿命预测

邢海燕  
【摘要】: 疲劳损伤是造成机械零构件失效的主要原因,如何及时地进行可靠的疲劳损伤评估及寿命预测,防止重大事故发生,是当前迫切需要解决的问题。 疲劳损伤是一个从萌生到扩展不断累积、发展的过程,伴随着疲劳损伤的演化,材料的磁化特性不断发生改变,靠近疲劳损伤处的磁阻增加,磁导率下降。新兴的金属磁记忆技术,正是基于铁磁材料在地磁场和疲劳载荷作用下磁化特性的改变,不但能够检测塑性变形及宏观裂纹,而且能够可靠探测早期应力集中,克服了传统无损检测方法对损伤萌生无法检测的不足,在疲劳损伤评估方面极富开发潜力。 同时,疲劳损伤的评估不仅依赖于先进的无损检测技术,还必须结合疲劳损伤的细观显微观测手段,从宏观和细观相结合的角度,探求疲劳损伤微观演化的宏观特征,才能进行可靠的损伤评估和寿命预测。 本文的目的是将金属磁记忆技术引入疲劳损伤与寿命评估领域,从宏观和细观相结合的角度,整合磁记忆检测和CCD视频显微观测手段,发展一种新的疲劳损伤测试方法,研究疲劳损伤萌生和扩展微观演化机制下的磁记忆宏观表征规律,建立基于磁记忆参数的疲劳裂纹萌生寿命模型,探索涵盖物理短裂纹和长裂纹在内的裂纹扩展速率与磁记忆相关性模型,进行基于磁记忆技术的疲劳损伤评估和全寿命预测。本文的主要研究内容如下: 首先基于量子力学的交换能理论,研究了铁材料的自发磁化特性。在此基础上,从热力学方程导出的压磁效应关系,研究了单个疲劳周期下的磁记忆效应,并进一步从铁磁材料自发磁化特性、磁畴理论、铁磁学能量平衡理论,研究了多周期循环应力作用下的磁记忆机理。根据磁畴理论,在磁偶极子模型的基础上,研究了磁记忆检测原理。 应用疲劳损伤磁记忆——显微观测试验方法,对45号调质钢和Q235钢三点弯曲试样,进行了不同载荷和应力比下疲劳裂纹萌生试验;在有限元仿真计算的基础上,从裂尖纵向、横向及三维角度,综合研究了微裂纹萌生阶段、三点弯曲试样正应力和切应力分布与磁记忆信号分布的对应关系;结合位错理论和磁弹性耦合理论,给出了裂纹萌生微观机制下的磁记忆表征规律,研究分析了临界裂纹萌生时的磁记忆特征信号。 根据裂纹成核和磁畴自发磁化的相变原理,铁磁材料疲劳裂纹萌生过程的能量变化遵循Gibbs自由能最小原理,以裂纹成核前后能量涨落为切入点,建立了裂纹萌生寿命与磁记忆参数、材料细观组织参数、载荷条件的相关模型。试验验证结果表明,该模型与试验结果具有较好的一致性。 应力强度因子范围和裂纹扩展速率是裂纹扩展评估的两个重要参量,根据物理短裂纹扩展的特异性,采用有效应力强度因子范围ΔK eff来描述裂纹扩展速率,结合裂纹闭合效应的分析,将长裂纹扩展分析方法延伸到物理短裂纹阶段;通过疲劳裂纹扩展与磁记忆效应相关性试验,获得了45号调质钢和Q235钢在不同载荷和应力比下,从物理短裂纹到长裂纹扩展的磁记忆信号与有效应力强度因子范围的关系;按物理短裂纹扩展、长裂纹稳态扩展、长裂纹失稳扩展三个阶段,详细研究了有效应力强度因子范围ΔK eff、裂纹扩展速率da/ dN与磁记忆信号Hp (y)的相关性,以新的磁特性角度将物理短裂纹与长裂纹的扩展研究统一起来。 利用最小二乘法,建立了涵盖了物理短裂纹和长裂纹在内的裂纹扩展速率da / dN与磁记忆信号Hp (y)的相关性定量模型,验证试验表明预测值与实测值一致性比较好,尤其在长裂纹稳态扩展阶段,预测值与实测值具有很高的一致性,在短裂纹扩展和长裂纹失稳扩展阶段稍差一些;同时分析了疲劳平均载荷、应力比、热处理方式对裂纹扩展速率和磁记忆相关性的影响,对裂纹扩展研究作了新的尝试。 由于疲劳损伤演变是动态非线性过程,用传统的数学函数精确建立寿命模型是非常困难的,本文采用最新的动态多分辨正交小波神经网络( DMRA_WNN)方法,在短裂纹理论的基础上,考虑短裂纹扩展的特异性和裂纹闭合效应,以磁记忆特征信号为参数,同时考虑疲劳载荷、应力比,建立了两种试验材料的DMRA_WNN全寿命的预测模型。避免了传统神经网络结构设计上的盲目性,整合神经网络、小波变换和多分辨理论的优势,克服了静态小波神经网络维数灾难问题,以磁记忆特性的崭新角度,进行统一的全寿命预测。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TG115.28

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【引证文献】
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【参考文献】
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1 张卫民,刘红光,袁俊杰,孙海涛;低碳钢扭转过程弱磁信号变化及金属磁记忆效应[J];北京理工大学学报;2005年11期
2 袁俊杰;张卫民;刘红光;王朝霞;;动载荷作用下铁磁性试件的磁记忆效应[J];北京理工大学学报;2006年09期
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10 邢海燕;樊久铭;李雪峰;徐敏强;;基于磁记忆机理的铁磁材料弯曲变形状态研究[J];哈尔滨工业大学学报;2006年07期
【共引文献】
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1 郭阿明;王力忠;田秋月;;疲劳裂纹钻孔止裂技术研究[J];四川建筑科学研究;2008年04期
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9 蒋志峰;吴作伦;吴瑞明;刘继忠;;材料缺陷超声检测中谱分析技术的研究[J];兵器材料科学与工程;2009年04期
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2 叶彬;姚卫星;;飞机结构细节疲劳寿命的应力场强法分析[A];疲劳与断裂2000——第十届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2000年
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4 田常海;杨其全;苏洪英;邹定强;;U76NbRE钢轨钢疲劳裂纹扩展速率的试验分析[A];第十二届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2004年
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6 巩威;刘英;王丹;陈千圣;;平衡肘结构可靠性研究[A];第七届全国MTS材料试验学术会议论文集(二)[C];2007年
7 黄学伟;蔡力勋;梁波;;TA17钛合金常温低周疲劳与缺口试样的寿命预测模型[A];2008全国MTS断裂测试研讨会论文集[C];2008年
8 胡佳楠;程凯;由小川;彭泽瑛;庄茁;;汽轮机长叶片低周循环疲劳特性研究[A];2010’力学与工程应用学术研讨会论文集[C];2010年
9 胡盈辉;由小川;庄茁;;交变内压与温度作用下的压力容器寿命评估[A];2010’力学与工程应用学术研讨会论文集[C];2010年
10 ;The Quantitative Indication System to Crack Depth on the Surface of Metal Material[A];第七届国际测试技术研讨会论文集[C];2007年
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1 杜娟;高精度电子组装设备中智能材料驱动器的建模与控制研究[D];华南理工大学;2010年
2 班丽丽;中碳Si-Mn系高强度TRIP钢高周疲劳破坏行为研究[D];昆明理工大学;2008年
3 张翔;粉末冶金法制备高硅硅钢片的轧制和热处理工艺研究[D];武汉理工大学;2010年
4 李熹平;快速热循环注塑模具及工艺关键技术研究[D];山东大学;2010年
5 赵勇铭;多轴疲劳寿命模型及疲劳试验谱编制方法研究[D];南京航空航天大学;2009年
6 胡绪腾;外物损伤及其对钛合金叶片高循环疲劳强度的影响[D];南京航空航天大学;2009年
7 李绍成;基于静电感应和显微图像的油液磨粒监测技术研究[D];南京航空航天大学;2009年
8 贾文昂;2D阀控制电液激振器及在疲劳试验系统中的应用研究[D];浙江工业大学;2010年
9 王正君;水泥混凝土板超声检测技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
10 李轩;CMOS图像传感器噪声抑制研究[D];天津大学;2010年
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1 张颜艳;奥氏体不锈钢组织超声无损评价研究[D];南昌航空大学;2010年
2 李新蕾;金属磁记忆检测机理的试验研究与有限元仿真[D];南昌航空大学;2010年
3 潘强华;磁记忆检测技术力—磁效应的试验研究[D];南昌航空大学;2010年
4 徐成功;智能CCD垂线坐标仪[D];山东科技大学;2010年
5 王权;起重机减速器变位斜齿轮副有限元仿真分析与研究[D];山东科技大学;2010年
6 姜涛;数字视频在多光轴动态同步检测中的应用[D];长春理工大学;2010年
7 齐晓飞;基于路径识别的机器人视觉导航技术的研究[D];长春理工大学;2010年
8 夏云清;装载机差速器齿轮的非线性接触与疲劳寿命分析[D];浙江理工大学;2010年
9 黄宇;嵌入式多模态生物特征识别系统设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 石欣;换向器滚压加工过程检测系统研究[D];大连理工大学;2010年
【同被引文献】
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1 张卫民,刘红光,袁俊杰,孙海涛;低碳钢扭转过程弱磁信号变化及金属磁记忆效应[J];北京理工大学学报;2005年11期
2 袁俊杰;张卫民;刘红光;王朝霞;;动载荷作用下铁磁性试件的磁记忆效应[J];北京理工大学学报;2006年09期
3 董世运;徐滨士;董丽虹;王丹;;金属磁记忆检测技术用于再制造毛坯寿命预测的试验研究[J];中国表面工程;2006年S1期
4 邸新杰;李午申;白世武;刘方明;薛振奎;;焊接裂纹的金属磁记忆定量化评价研究[J];材料工程;2006年07期
5 王丹;董世运;徐滨士;陈群志;董丽虹;;静载拉伸45钢材料的金属磁记忆信号分析[J];材料工程;2008年08期
6 董丽虹;徐滨士;董世运;陈群志;王丹;尹大伟;;拉伸载荷作用下中碳钢磁记忆信号的机理[J];材料研究学报;2006年04期
7 平安,王德俊,叶笃毅,杨浩泉;材料疲劳性能变化规律与剩余寿命预测[J];东北大学学报;1994年03期
8 王文江,戴光;疲劳断裂试件磁记忆检测结果及分析[J];大庆石油学院学报;2005年04期
9 董月香;高增梁;;疲劳寿命预测方法综述[J];大型铸锻件;2006年03期
10 周又和;郑晓静;;A THEORETICAL MODEL OF MAGNETOELASTIC BUCKLING FOR SOFT FERROMAGNETIC THIN PLATES[J];Acta Mechanica Sinica;1996年03期
中国硕士学位论文全文数据库 前6条
1 潘强华;磁记忆检测技术力—磁效应的试验研究[D];南昌航空大学;2010年
2 王文江;磁记忆检测技术与应用方法研究[D];大庆石油学院;2003年
3 周俊华;磁记忆检测的机理研究[D];郑州大学;2003年
4 邸新杰;焊接裂纹金属磁记忆漏磁场特性的研究[D];天津大学;2004年
5 郑慕林;裂纹漏磁场分析及信号识别方法研究[D];大庆石油学院;2008年
6 王坤;铁磁性材料拉伸疲劳的磁记忆信号研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 赵帅;地磁场下应力磁化模型研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
【二级参考文献】
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1 张卫民,董韶平,杨煜,许淳淳,池琳,陈晓梅;磁记忆检测方法及其应用研究[J];北京理工大学学报;2003年03期
2 张卫民,刘红光,孙海涛;中低碳钢静拉伸时磁记忆效应的实验研究[J];北京理工大学学报;2004年07期
3 徐可为,何家文;从晶体衍射峰形的变化看应力梯度对X射线应力分析的影响[J];稀有金属材料与工程;1990年02期
4 徐春龙,徐元利,袁永先,雷素文;灰色系统理论在内燃机疲劳寿命预测中的应用[J];车用发动机;2001年01期
5 董丽虹;徐滨士;董世运;陈群志;王丹;尹大伟;;拉伸载荷作用下中碳钢磁记忆信号的机理[J];材料研究学报;2006年04期
6 陈娟;祁欣;;应力的磁声发射检测方法[J];电测与仪表;1997年03期
7 田常海,任明法,陈浩然;复合型裂纹脆断主应变因子准则[J];大连理工大学学报;2001年02期
8 黄跃平,李兆霞;基于刚性梁实现的恒应变率试验系统[J];东南大学学报;1997年04期
9 徐克明,钟伯明,魏嘉荃,陈抡元;拉伸圆杆表面裂纹应力强度因子实验研究[J];大庆石油学院学报;1991年02期
10 王国丽,魏嘉荃,钟伯明,秦洪;抽油杆材料疲劳裂纹扩展规律的概率研究[J];大庆石油学院学报;1993年01期
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1 王文江;磁记忆检测技术与应用方法研究[D];大庆石油学院;2003年
2 张亚梅;油气管道的磁记忆检测技术应用及其对比性定量的初探[D];天津大学;2004年
3 邸新杰;焊接裂纹金属磁记忆漏磁场特性的研究[D];天津大学;2004年
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3 叶宏武;;安全气囊排气孔的优化设计[A];铜牛杯第九届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集[C];2009年
4 鞠金山;汪方宝;王亚锋;;碳纤维天线反射面热变形的有限元分析[A];复合材料——基础、创新、高效:第十四届全国复合材料学术会议论文集(下)[C];2006年
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6 白瑞祥;陈浩然;王琦;;粘贴压电作动器层合板在热载荷作用下的形状控制和电压优化[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集(下册)[C];2008年
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1 胡建新;有限元的探索[N];光明日报;2002年
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3 胡荣 蒋冬青;管磨机中空轴应力的有限元分析法[N];中国建材报;2004年
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5 陈茂樑 余宁宁;髋关节置换术后磨损研究获突破[N];中国医药报;2006年
6 吴山青;知难而上为推广[N];光明日报;2001年
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8 ;高速公路新型护栏研究[N];科技日报;2007年
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10 唐诗全;攀钢钢研院攻克冲压零件科学选材技术[N];中国工业报;2006年
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1 邢海燕;基于磁记忆技术的疲劳损伤评估及寿命预测[D];哈尔滨工业大学;2007年
2 武云鹏;有限元线法求解时域问题的研究[D];清华大学;2004年
3 陈强;挥鞭样损伤的生物力学和临床研究[D];第二军医大学;2005年
4 王明波;磨料水射流结构特性与破岩机理研究[D];中国石油大学;2007年
5 荣冠;岩土介质非饱和渗流分析及工程应用研究[D];武汉大学;2005年
6 田宇;高温高压生长宝石级金刚石单晶的实验与理论研究[D];吉林大学;2009年
7 蔡永昌;流形方法的理论与应用研究[D];重庆大学;2001年
8 刘荣昌;曲轴参数化有限元分析系统与滚压关键参数设计理论研究[D];西安理工大学;2005年
9 周凌宇;钢—混凝土组合箱梁受力性能及空间非线性分析[D];中南大学;2005年
10 黄宇琦;胸锁乳突肌筋膜痛的解剖学及其临床研究[D];第一军医大学;2005年
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1 刘永志;温度场的有限元数值模拟及其在塑件和模具冷却分析中的应用[D];郑州大学;2003年
2 凌广;钢筋混凝土的三维非线性有限元分析[D];西南交通大学;2003年
3 吴浩;自适应有限元大坝应力取值研究及小湾拱坝平面稳定分析[D];清华大学;2004年
4 陈静;非金属补偿器温度场分析[D];南京航空航天大学;2005年
5 杨柳彬;标准管道法兰数据库系统的研究[D];合肥工业大学;2005年
6 张治国;轿车前部车身结构静态强度计算及动态分析[D];吉林大学;2005年
7 高有斌;水泥土桩复合地基三维弹塑性承载性状分析[D];郑州大学;2005年
8 张渤涛;复杂形状汽车覆盖件成形过程数值仿真模式的研究[D];山东大学;2005年
9 赵天雨;轻钢骨混凝土结构应用技术及抗剪性能的研究[D];河北理工大学;2005年
10 王勇;重载货车中Huck系列连接器力学行为数值仿真研究[D];大连交通大学;2005年
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