电磁加载对金属闭合裂纹超声非线性的调制机理研究

Closed-crack is one of the early form of the metal fatigue damage. Because of the contact surface of the closed-crack, the detection performance and prospect of engineering application of the common nondestructive testing method are not ideal. The state of the metal colsed-crack will be changed by the eddy current loading in this work. The ultrasonic will be modulated in the crack area. Through building the electromagnetism-force-deformation coupling model of the eddy current exciting, the electromagnetic field, stress and deformation in the crack area will be calculated and the dynamic mechanism of the crack will be researched based on the Lorentz force. Through analysis the dynamic behaviour of the closed-crack and the impact of the ultrasonic nonlinear response during the electromagnetic loading, it will explain the modulation mechanism of the crack in the electromagnetic loading. It will study the ultrasonic nonlinear phenonmena with the eddy current loading by analysis the modulated ultrasonic echo and demonstrate the feasibility of the quantitive detection of the crack which can provide the theory basis for early diagnosis of the metal structural damage. Different from the traditional nonlinear ultrasonic technique, the ultrasonic is modulated by the interactions between the ultrasonic wave and surface fluction of the closed-crack because of the Lorentz force. The surface fluction of the metal closed-crack can be controlled by changing the electromagnetic loading and the modulation process for ultrasonic is controllable.

闭合裂纹是金属疲劳损伤的早期表现形式之一，因其界面相互接触导致常规无损检测方法从检测效果和工程应用前景来说均不理想。 本课题提出利用涡流加载改变金属闭合裂纹状态，实现对经过该区域的超声波的可控调制,以提高缺陷检测的灵敏度和可信度。拟建立金属闭合裂纹涡流激励的电磁-力-形变耦合模型，计算不同加载条件下裂纹区的电磁场、应力与形变分布，研究基于洛仑兹力的金属闭合裂纹波动机制,分析加载过程中闭合裂纹的动态特性及其对超声非线性响应的影响，阐明电磁加载下裂纹的超声调制机理，通过分析经调制的超声回波，研究电磁加载下闭合裂纹引起的超声非线性现象，论证该方法对闭合裂纹定量检测的可行性，为金属疲劳损伤早期诊断提供理论依据。 与传统非线性超声检测不同，该方法是由于洛伦兹力的存在导致超声波与闭合裂纹界面相互作用时产生的声波调制现象，通过改变电磁加载参数可一定程度上调节裂纹面的波动状态,使超声波的被调制过程可控。

闭合裂纹是金属疲劳损伤的早期表现形式之一，因其界面相互接触导致常规无损检测方法从检测效果和工程应用前景来说均不理想。 本课题着眼于金属结构闭合裂纹的早期检测与诊断问题，提出利用涡流加载改变金属闭合裂纹状态，实现对经过该区域的超声波的可控调制,以提高缺陷检测的灵敏度和可信度。.课题主要对电磁加载作用下金属闭合裂纹的界面波动过程及其对超声波的调制机理进行了深入研究，建立了金属闭合裂纹的电磁加载分析模型，计算了电磁加载下微裂纹区域的电磁场、应力场和位移场分布，并基于非线性弹簧理论建立了金属闭合裂纹的有限元分析模型，研究了裂纹界面波动对超声传播的影响特性，分析了电磁加载作用下裂纹界面的活动状态对经过该区域的超声波调制过程，同时，通过对含闭合裂纹铝板进行不同参数的电磁加载实验，得出超声回波的旁瓣频率成分及二次谐波成分能够反映金属结构中闭合裂纹的动态信息，验证了该无损检测方法的可行性，为实现金属装备缺陷的早期检测提供了重要依据。.与传统非线性超声检测不同，该方法是由于洛伦兹力的存在导致超声波与闭合裂纹界面相互作用时产生的声波调制现象，通过改变电磁加载参数可一定程度上调节裂纹面的波动状态,使超声波的被调制过程可控。该方法的实现在一定程度上缓解了现有非线性超声检测技术在检测闭合裂纹过程中必须注入高强度超声波和非线性响应较弱等局限性。本项目创造性的将电磁加载应用于超声非线性检测技术中，基于电磁加载技术灵活可控、能量集中的加载特点，与非线性声学检测技术的结合将会为金属结构早期损伤检测与评估提供新的发展动力与方向。