机械构件疲劳裂纹的激光超声检测新方法研究

The mechanical component fatigue crack detection is important for preventing accidents and improving the reliability of the using of mechanical equipment. Based on the non-destructive, non-contact, high-resolution laser ultrasonic technology, this project combined it with the development of modern signal processing and detection technology, carrying out laser ultrasonic-based mechanical component fatigue crack detection method.A set of non-destructive testing methods to adapt to the members of mechanical component in the industry environment will be developed. The main contents of the project include: To study the mechanism of laser ultrasonic theory;To study the mechanism of fatigue crack propagation and laser ultrasonic signal propagation mechanism; research in crack growth model and laser excitation the ultrasonic signal model; to study laser ultrasonic signal frequency mapping relationship between the characteristics and crack characteristics; to study laser thermoelastic crack detection, information extraction and signal processing methods; fatigue crack detection method proposed a laser-based ultrasonic mechanical component; mechanical component fatigue crack simulation detection experiment platform will be built; to form a set of laser-based ultrasonic nondestructive testing theory methods and technology system of mechanical component fatigue crack .Research projects on mechanical component fatigue crack destructive testing provide theoretical improvement and technological innovation, and improve the reliability of mechanical equipment. Its outcome has important theoretical and technical value, occupying a broad application prospects.

机械构件疲劳裂纹检测方法对于提高机械装备安全运行，防止事故发生具有重要理论和现实意义。项目针对机械构件疲劳裂纹检测难题，利用激光超声技术无损、非接触、高分辨、可达性好等特点，提出一种机械构件疲劳裂纹激光超声检测新方法，攻克系列适应工业应用环境下机械构件裂纹激光超声检测的技术。项目的主要研究内容包括：研究基于热弹效应的的激光超声产生及超声波传播理论；研究机械构件疲劳裂纹萌生与扩展机理，建立机械构件疲劳裂纹扩展模型；研究激光超声信号时频特征与裂纹特征之间映射关系，建立机构构件激光超声信号模型；研究激光热弹的裂纹超声信号特征提取和参数识别技术；提出一种基于激光超声的机械构件疲劳裂纹检测方法；研制机械构件疲劳裂纹激光超声检测实验平台；形成一套基于激光超声的机械构件疲劳裂纹无损检测的理论、方法和技术体系。项目研究对促进机械构件疲劳裂纹无损检测的理论发展，保障机械系统的安全可靠运行具有重要理论意义。

机械构件在加工及服役过程中，受各种复杂交变、循环应力影响，其表面及内部不可避免地会产生疲劳裂纹。如果不能及时对微裂纹进行检测，并采取必要措施进行维修，微裂纹会逐渐扩展，进而影响整个设备系统的稳定性与安全性，甚至可能导致灾难性的突发后果，造成巨大的经济损失。因此，机械构件的疲劳裂纹检测方法研究对提高设备安全性、稳定性，防止事故发生具有重要理论与现实意义。. 本课题针对机械构件疲劳裂纹检测难题，利用激光超声技术无损、非接触、高分辨率、宽频域、可达性好等特点，提出了一种机械构件疲劳裂纹检测新方法，搭建了一套机械构件疲劳裂纹的激光超声检测系统，解决了激光超声疲劳裂纹检测技术在工业应用难题。.项目主要研究成果包括：1）掌握了基于热弹效应的激光超声波激发、传播机理。通过数值仿真分析，掌握了光源参数，如激光半径、脉冲宽度等对所激发声波特性的影响，得到了最优激发参数。研究了声波在变截面杆传播过程中幅值、频率范围变化规律，得到了针对不同传播路径的最优激发波形参数值；2）推导了激光超声信号时频特征与疲劳裂纹特征之间的映射关系，建立了机械构件疲劳裂纹、超声信号作用模型；3）提出多种超声、裂纹耦合信号特征提取与参数识别技术。因疲劳裂纹尺寸相对较小，且多呈非线性特征，传统超声检测技术所使用的超声线性特征参数不再适用，特提出多种对微裂纹更敏感的非线性特征参数，可有效对裂纹进行表征；4）提出一系列激光超声的机械构件疲劳裂纹检测新方法；5）搭建了一整套机械构件疲劳裂纹的激光超声检测实验系统。利用所搭建系统对含有人工缺陷的各类试件及实际服役的压缩机缸体等机械构件疲劳裂纹进行了检测。结果表明所提方法能有效检测裂纹位置、尺寸等相关信息；6）形成了一整套基于激光超声的机械构件疲劳裂纹无损检测的理论、方法和技术体系。. 该项目研究对促进机械构件疲劳裂纹无损检测理论发展，保障机械系统的安全可靠运行具有重大意义。