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航空铝合金缺陷及应力脉冲涡流无损检测研究

周德强  
【摘要】:脉冲涡流检测技术是近几十年来迅速发展起来的一种无损检测新技术,其宽频谱的激励方式可以在航空铝合金复杂结构件检测中获得较多的材料状态信息,包括航空铝合金结构件缺陷及应力信息,因而成为目前航空无损检测领域的一个研究热点。本文在分析了国内外脉冲涡流无损检测技术研究现状的基础上,开展了脉冲涡流检测技术对航空铝合金缺陷及应力的检测研究,主要研究内容及创新点如下: 1.圆柱型脉冲涡流探头的优化设计 根据脉冲涡流探头的几何特征和边界条件,结合数值建模理论,建立了脉冲涡流圆柱型探头的2D数值计算模型。通过提取在不同电导率条件下的脉冲涡流差值信号峰值特征,得出了脉冲涡流差值信号的峰值与电导率的变化成线性关系的结论,首次提出脉冲涡流差值信号的峰值可用于评估航空铝合金电导率的分布;论文深入研究了脉冲涡流探头在不同几何尺寸参数对航空铝合金的灵敏度,即:(1)线圈内径、(2)线圈宽度、(3)线圈高度,提出了脉冲涡流探头的优化设计方法;此外,论文也研究了其他参数(如激励脉冲频率、提离距离、有无铁氧体磁芯等)对航空铝合金灵敏度的影响,为脉冲涡流探头的优化设计提供理论指导。 2.航空铝合金缺陷脉冲涡流无损检测技术的研究 论文对航空铝合金表面、亚表面以及由于腐蚀造成的金属厚度减薄缺陷进行了脉冲涡流检测研究。根据实验数据与脉冲涡流检测原理,得出了脉冲涡流检测系统对航空铝合金缺陷深度检测的灵敏度高于缺陷宽度的灵敏度;建立了脉冲涡流检测三种缺陷的深度定量检测模型;在脉冲涡流检测技术对航空铝合金不同类型缺陷定量检测的基础上,重点探讨了脉冲涡流瞬时信号的特征提取技术,频谱幅值为论文在频域里提取的新特征值;并对提取的各种特征进行了最优组合,提出了脉冲涡流检测技术对航空铝合金不同缺陷的最优分类识别算法。 3.航空铝合金应力脉冲涡流无损检测技术的研究 为了达到对航空铝合金残余应力的无损评估,论文首先推导了脉冲涡流应力检测原理,基于应力与材料电导率的相关性,提出了脉冲涡流检测技术对航空铝合金应力检测的新型无损检测方法,为脉冲涡流检测技术对航空铝合金残余应力的评估提供帮助。论文在如下几个方面展开了深入研究: (1)采用实验的方法,对铝合金AL5083进行了弹性应力拉伸实验,实验结果表明脉冲涡流差值信号的峰值与加载应力的大小成线性关系,结合COMSOL有限元电导率仿真结果,得出了脉冲涡流差值信号的峰值可以用来评估应力的大小以及被测材料电导率的分布的结论。 (2)为了进一步检测残余应力,对不同塑性变形标准的铝合金材料进行了弹性拉伸实验,脉冲涡流差值信号的峰值与拉伸应力成非线性关系。通过提取“等效弹性系数”,实现了对航空铝合金样本的塑性变形的检测,即脉冲涡流圆型探头与矩形探头横向测量AL2024的“等效弹性系数”随着塑性变形的增加呈单调递减趋势。所有实验均证实脉冲涡流响应对拉伸应力与塑性变形非常敏感。 (3)为了达到对航空铝合金不同深度应力检测的目的,采用可变的脉冲宽度进行了实验。通过标准的电导率脉冲涡流信号创造性地建立了参考电导率平面,并采用此平面对不同厚度、不同电导率的多层金属进行检测,证实了所建电导率平面的有效性。另外,论文也通过弯曲应力的实验进行了验证,证明了所提出参考电导率平面测量不同深度应力分布的有效性,可以采用参考电导率平面测量导电材料的电导率不均匀分布而逆推出导电材料弯曲应力不同深度的分布。因此,由实验证明这种检测方法可以对航空铝合金不同深度应力分布进行检测。


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