基于非线性超声导波的材料损伤分布场成像技术研究

对材料损伤（宏观裂纹形成前微观、细观损伤）的无损检测对认识损伤机理、寿命预测具有重要意义。材料的损伤会引起材料声学特性的变化，造成材料中传播的超声波出现非线性变化，这种变化程度可用声学非线性系数表征。目前，理论和实验已在材料声学非线性系数和材料各种损伤间建立了对应关系。上述绝大多数研究均基于超声体波。导波相对体波具有传播距离长、检测快速的特点。我国学者邓明晰已从理论和实验方面证明了将非线性导波应用于材料损伤检测的可行性。但是由于导波传播特性，目前使用的单一激励-接收传感器布置形式只能检测到导波传播路径上的损伤均值，无法实现损伤定位。本课题首先通过实验，提取和优化可有效表征材料损伤（体波非线性系数）的导波特征参数，并建立两者间的对应关系；随后引入超声传感器阵列，建立超声导波传播路径网络，通过层析成像学中的重构算法，利用导波传播路径上的损伤均值重构损伤分布场，实现材料损伤分布场的快速检测。

随着电站容量及蒸汽参数的不断提高，机组压力容器在复杂运行条件下事故频发，开发一种较现有超声及射线探伤更加高效快速的无损检测方法变得十分重要。超声导波是一种可沿波导长距离传播的应力波，较传统的无损检测方法，其检测范围更大，效率更高，但国内外的研究及工程应用中，该方法的损伤分辨率及裂纹检出限仍未达到大型部件寿命管理及安全评估的要求，针对高温部件的在线监测难度更大。. 目前国内外在线性及非线性超声导波理论和实验研究方面进行了大量富有成效的探索和尝试，但是在工程应用上仍以线性基频导波为主。电站高温部件的早期材料损伤介于微米至毫米级之间，在大尺度部件中检测出微尺度损伤中的一些关键科学问题是本项目关注焦点。为了改进电站机组无损检测技术和方法，导波与体波、基波与谐波、跨尺度的损伤检出限、波场结构模拟和传感器设计、损伤分布及成像算法是本项目主要研究内容。具体研究如下：. （1）超声导波理论研究方面：基于弹性理论研究了超声导波基频波在电站部件中的传播规律，获得了温度对其传播的影响；研究了超声导波基波-谐波转换规律，获得了圆管中具有累积效应的高阶谐频导波的生成条件。. （2）通过模拟及实验研究了超声导波对损伤的响应，包括损伤处超声导波的反射、透射及模态转换规律，建立了基于超声导波反射及模态转换的损伤表征参量。. （3）研发了适用于板状构件及圆管的超声导波高温换能器及传感器阵列，并在此基础上构建了超声导波损伤检测原型系统，为发展便携式或在线式超声导波锅炉管损伤检测系统奠定了基础。. （4）基于上述研究成果，研究发展了基于信号阵列的损伤重构算法，初步形成了板状构件及圆管状锅炉部件早期损伤场成像检测方法。. 在上述研究的基础上，项目组开发的“锅炉管超声导波损伤检测系统”已应用于国家自然科学基金重点项目“超(超)临界机组锅炉受热面安全及寿命管理”（项目批准号：51134016）”，部分研究成果将应用于神华集团国华电力某电厂超临界机组。