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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。


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