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基于声发射信号的低应力下料起裂及扩展机理研究

周树恩  
【摘要】:金属棒管料切断分离下料是装备制造业、汽车工业、轴承工业、石油石化等行业中常用机械零部件制造的第一道工序。传统的下料方式多以锯切割为主,然而锯切下料不同程度存在能耗高、浪费材料等方面的弊端。低应力下料相对于传统下料的优势在于其能耗低、材料利用率高、污染小,符合现代社会倡导的绿色制造理念。然而低应力过程中V型槽尖端裂纹起裂很难判断,扩展模型不够精确,而这些问题直接影响下料时间和初始加载力。1、本文引入了突变理论,建立了低应力下料中棒材起裂的尖点突变模型,该模型以裂纹平均深度a作为状态变量,以载荷F及循环数N作为控制变量,以棒材上的能量V作为势函数。由突变模型分析得出,在系统的平衡曲面上存在着一叶不稳定的平衡面,起裂的发生必须要满足控制轨迹达到分歧点集。2、采用定性和定量相结合的方法,确定出sym7小波是适合于下料声发射信号分析的小波基,给出了下料声发射信号的小波降噪算法。分析结果指出,sym7小波函数对于下料声发射信号的消噪处理具有很好效果,信噪比SNR值超过了20,能够有效地抑制噪声的同时保证较高的信噪比。通过对下料过程的声发射信号进行频域分析,发现信号的频率范围集中在100kHz—200 kHz之间,幅值随裂纹扩展呈现先增大后减小的趋势。通过对信号波形形态的分析,提出了以峰态系数和偏度来判断棒材起裂的方法。本文通过传统的声发射特征参数分析法,在验证基于波形形态起裂判据方法准确性的同时构造了新的变量T,并提出了基于变量T的棒材起裂定量判据。推导出了应力强度因子与声发射振铃计数的关系表达式,得到了声发射振铃计数与应力强度因子关系式中比例系数k与材料常数m的具体值:=11971,=0.357。3、低应力下料棒材裂纹过程中,针对单个特征参数很难完整描述声源信号及声源信号数据利用率低的问题,在数据融合理论的基础上提出了基于主成分参数融合算法的裂纹扩展模型。相对于单特征参数模型,本文建立的基于多特征参数融合值的裂纹扩展模型有明显的优势,主要体现在:基于该方法所建立的模型与试验数据的相关系数均接近于1,相对于单一特征参数其相关系数提高了0.8。


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