考虑磁致伸缩效应的铁磁材料电磁声发射及其非线性特性研究

Due to the fast speed propagation of the crack in the high strength material, the fatigue fracture caused by the periodic load often happens suddenly, which easy causes a catastrophic accident. Acoustic Emission Technology (AET) is not ideal for the evaluation of the early fatigue damage, especially quantitative detection is still difficult to achieve, which has ideal effect to on-line monitoring and life prediction of the component. So, this project will research Electromagnetically Induced Acoustic Emission (EMAE) and nonlinear characteristics of the ferromagnetic high strength plate, based on the research on EMAE of the non-ferromagnetic plate. The difficulty is that the different of Lorentz Force and Magnetostrictive Force in size, direction, and frequency response makes features of amplitude and frequency of Acoustic Emission signal of ferromagnetic materials to be complex. In this project, features of the acoustic emission source are researched through the influence and mechanism of Magnetostrictive Effect on EMAE by the established electromagnetic-field-force-deformation coupling numerical model including Magnetostrictive Effect. And the quantitative detection of AE Technology can be demonstrated through obtained nonlinear features of EMAE under Magnetostrictive Effect, which provides important theoretical and experimental basis for early fatigue damage the quantitative detection and life prediction of high strength ferromagnetic material.

由于高强度材料的裂纹扩展速度快，周期性载荷造成的疲劳断裂常突然发生，易造成灾难性事故，在构件的在线监测和寿命预测方面取得较为理想效果的声发射技术，对早期疲劳损伤的评定尚不理想，特别是定量检测尚难实现。本项目在非铁磁材料电磁声发射的研究基础上，拟研究铁磁性高强度板材的电磁声发射现象及其非线性特性。本项目的难点在于铁磁材料中洛伦兹力和磁致伸缩力在大小、方向和频率响应上的差异造成铁磁材料声信号的幅频特性趋于复杂。故本项目拟通过建立考虑磁致伸缩效应的电磁声发射的电磁场-力-形变分析耦合数值模型，分析磁致伸缩效应对电磁声发射的影响和作用机制，研究声发射源的特性，并观察磁致伸缩效应下电磁声发射的非线性特性，论证声发射信号的非线性特性对缺陷进行定量检测的可行性，以期在声发射技术对缺陷的定量检测方面有所突破，为声发射检测技术对铁磁性高强度材料早期疲劳损伤的定量检测以及寿命预测提供重要的理论和实验依据。

开展高质量、新型无损检测技术的探索工作对提高金属构件的缺陷检测效率、保证设备健康稳定运行有很强的实际意义。其中电磁应力波检测技术因具有无需耦合剂、极端环境适应性强、检测效率高等优势，受到了广泛的关注。然而，在电磁应力波检测技术中，除线性电磁超声检测有较多的研究之外，而有关电磁声发射检测和非线性电磁超声检测的研究却较少，有些关键问题尚不清楚，从而限制了该技术的推广应用。.（1）在分析电磁声发射技术原理的基础上，建立了电磁声发射技术的有限元分析模型，分析了电磁声发射技术的电流、电磁力和形变分布，论证了涡流激励声发射的可行性，并引入断裂力学对缺陷处形变的性质进行了定性分析。.（2）基于涡流激励的有限元分析结果，确定了涡流激励声发射的电源性能指标。在研究各种拓扑电路优缺点的基础上，选择简单可靠、易扩容、输出频率易调整的双正激逆变器搭建激励电源，建立了涡流激励声发射的实验平台，采集到了来自缺陷的电磁声发射信号，实现了对裂纹的定位。.（3）对电磁声发射信号进行频谱分析，研究了不同加载条件下来自不同试件的信号,揭示了不同试件的信号特征，得到了缺陷的声发射信号以及噪声的基本特性，并给出了缺陷有无的判定依据。针对单脉冲电磁激励具有宽频率响应的特性，使用小波方法分析了信号的高低频能量特性，进一步分析了缺陷的信号特征。.（4）结合美国物理声学公司（PAC）的实验数据、Kaiser效应和声发射理论，将有限元方法计算的金属板缺陷形变和电磁声发射信号进行了归一化处理，建立了缺陷的有限元分析和电磁声发射信号之间的内在联系，验证了有限元分析模型的正确性。进一步实现了考虑磁致伸缩效应的电磁声发射理论和实验研究。.（5）非线性电磁超声检测方法研究：本文通过将非线性超声与电磁超声技术相结合，克服传统超声对微细裂纹以及金属构件早期塑性变形检测困难的问题。分析斜入射超声波与微细裂纹非线性效应作用情况，利用仿真、实验对微细裂纹、塑性变形的超声非线性效应进行分析。研究结果表明，非线性电磁超声具有对金属构件早期损伤检测的可行性。