焊缝典型缺陷磁记忆特征提取与反演的定量化基础研究

Welded joints are widely used in petrochemical, energy，power, aerospace and other important areas. Welded joints usually work in the environment of high temperature, high pressure, corrosive, flammable and explosive. Once they are destroyed, catastrophic accidents will be caused. Metal magnetic memory (MMM) testing is known as one of the most promising green nondestructive testing(NDT) in the twenty-first century, which has more advantage on welded joint testing than the conventional NDTs. However, the welded joint quantitative assessment is still the MMM bottleneck. This subject majors in the quantitative weld defect feature extraction, grade and reversion based on the experimental and theoretical investigates considering disperse and uncertain parameters, in order to provide the theory and method foundation for weld defects quantitative assessment. The main contents include: (1) Welding residual stress MMM characteristic and welded joint multi-field coupling finite element simulation; (2) MMM quantitative experiment study of typical weld defects evolution and defect magnetic charge model; (3) Weld defect MMM feature quantitative extraction and defect grade by considering dispersion and uncertainty parameters; (4) MMM defect reversion quantitative method based on optimization algorithm, which provides the basic research for practical engineering quantitative assessment of welded joints.

焊缝结构广泛应用于石油化工、能源电力、航空航天等关系国计民生的重要领域，通常在高温、高压、腐蚀、易燃易爆的环境下运行，一旦发生破坏，往往造成灾难性后果。磁记忆检测被称为21世纪最具应用前景的绿色无损检测技术，不仅可以发现宏观缺陷，还能检测早期损伤和应力集中，在焊缝检测上有着传统无损检测技术不可比拟的优势。但是定量评定一直是其难点问题，本课题以参数分散性与不确定性条件下焊缝缺陷磁记忆特征提取、缺陷等级量化及磁记忆缺陷反演的逆问题为落脚点，通过实验与理论研究，为焊缝缺陷的定量评定提供基础性理论研究和方法依据。主要内容包括：（1）多场耦合下焊接残余应力的磁记忆表征及有限元仿真；（2）焊缝典型缺陷演化的磁记忆定量化实验研究与缺陷磁荷模型建立；（3）考虑参数分散性、不确定性的焊缝缺陷特征提取与缺陷分级量化；（4）建立基于优化算法的磁记忆逆向缺陷反演定量化方法，进行焊缝定量评定的基础性研究。

本项目针对磁记忆检测技术在焊缝缺陷特征提取与反演上的定量化难题，开展了为期四年的研究，取得的主要成果如下：. （1）考虑到焊接过程的非线性及温度的不均匀性造成焊缝残余应力分布的复杂性，结合ANSYS有限元多场耦合仿真，对焊缝试件进行热、力、磁多场耦合仿真分析，获得焊缝残余应力的磁记忆表征规律。. （2）通过焊缝典型缺陷演化的磁记忆定量检测实验，同步对比X射线检测，获得焊缝未焊透、夹渣、未熔合与气孔等典型缺陷演化过程的磁记忆表征规律，建立了缺陷磁荷模型，与有限仿真结果形成了相互印证与补充。. （3）针对磁记忆检测数据的分散性与不确定性，引入能够反映焊缝损伤程度的奇异谱熵、功率谱熵、小波空间能谱熵和相对谱熵，提取不同缺陷等级对应的信息熵及其熵带特征值，通过D-S证据组合原理进行信息融合，建立基于信息熵带与D-S理论的焊缝缺陷等级磁记忆定量评价模型，并验证了模型的可靠性，完成了参数分散性与不确定性条件下缺陷的磁记忆特征提取与等级量化。. （4）针对缺陷的磁记忆反演难题，从数理统计的角度，引入最大似然估计方法，考虑磁场噪声对缺陷、尤其隐性缺陷定位结果的影响，采用具有全局搜索能力的粒子群算法，对最大似然估计目标函数进行优化，建立焊缝损伤磁记忆精确定位模型并进行了模型验证。同时提取三种磁记忆特征参数，即峰峰值△Hp、极值间距△x、磁场强度变化率△Hp/△x，引入模拟退火算法对支持向量回归机进行参数优化，建立基于退火支持向量回归机的焊缝缺陷尺寸磁记忆反演模型，避免盲目选择固定参数造成精度不稳，并用实测数据验证了反演模型的可靠性。. 本课题从正、逆向两方面，进行了焊缝缺陷磁记忆特征提取与反演的定量化基础研究，为实际工程中焊缝损伤位置、尺寸及严重程度的定量评价提供新的理论基础和方法依据。. 通过本课题的研究，发表论文33篇，其中SCI检索5篇、EI检索13篇、北大中文核心期刊16篇，申报专利2项，培养博士1名、硕士10名。