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基于驻波疲劳累积损伤的磁记忆效应及反问题研究

王文江  
【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


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