面向再制造铁磁性构件损伤程度的磁记忆/超声综合无损评估

论文摘要

随着社会的飞速发展和人口的迅猛增多,土地、能源和矿产的缺乏将会日益严重,因此,保护地球环境、节约可用能源和保持社会可持续发展变得尤为重要。再制造工程是以产品全寿命周期理论为指导,以提升废旧产品性能为目标,以优质、节能、高效、环保为准则,以先进的表面工程技术和产业化生产为手段,修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。再制造工程符合社会发展的需求,它以其特有优势,受到世界各国的广泛关注。随之而来,再制造工程需要解决的问题也越来越多。其中,如何保障再制造产品质量、增强用户对使用再制造产品的信心是重中之重,直接关系到再制造工程技术的推广应用。本课题以无损评估再制造铁磁性毛坯剩余寿命、保障再制造产品质量为研究目的,以金属磁记忆检测方法和超声检测方法为研究对象,通过大量静载和疲劳拉伸试验,研究金属磁记忆信号随载荷、循环次数和应力集中程度的变化规律,提取金属磁记忆信号表征疲劳损伤程度的关键参量。在此基础上,结合断裂力学理论,建立了综合采用金属磁记忆信号和超声波信号表征疲劳寿命的预测模型。在理论联系实际的基础上,综合采用金属磁记忆和超声波检测方法对再制造曲轴毛坯进行无损评估,研发相关检测装置,为无损检测技术在再制造质量评估中的应用奠定基础。主要研究成果如下:通过静载拉伸试验和拉-拉疲劳试验,研究了磁记忆信号与加载载荷的变化规律、磁记忆信号随载荷循环次数的变化规律以及应力集中系数对磁记忆信号的影响,提取磁记忆信号表征疲劳损伤程度的特征参量。研究了表面裂纹、应力集中程度、检测方向和提离高度对磁记忆信号的影响,用以指导磁记忆检测的工程应用。通过摩擦磨损试验,研究了试件磨损程度对磁记忆信号的影响,结果表明:磨损程度对磁记忆信号有显著影响,磁记忆信号表征磨损程度的关键参量为磁异变峰,磁记忆信号能较准确地表征试样表面磨损区域的大小和位置,并能定性评估试样表面磨损程度。在大量试验数据基础上,建立了静载拉伸和拉-拉疲劳时磁记忆信号随载荷和循环次数变化的数值拟合模型,并结合大量试验,验证了磁记忆信号和超声信号为特征参量表征疲劳裂纹萌生寿命和疲劳裂纹扩展寿命的预测模型的适用性。以再制造曲轴毛坯为研究对象,进行仿真模拟和失效分析,明确其受力状态、危险区域和失效原因,并根据分析结果,采用金属磁记忆检测技术检测旧曲轴表面裂纹和应力集中,评估旧曲轴的疲劳损伤程度;采用超声检测技术检测旧曲轴内部缺陷。根据再制造曲轴毛坯的材质和结构特征,设计了曲面单晶双斜探头和曲轴超声检测的专用检测装置,制定了探头校准方法,规范了曲轴超声检测步骤,解决了曲轴超声检测的定位和定量问题。规范了再制造曲轴毛坯的金属磁记忆检测方法。根据实际检测结果,提取了磁记忆信号表征曲轴疲劳损伤程度的关键参量——磁示应力集中系数KM,并利用KM将曲轴分为三个损伤等级,确定了表征斯泰尔发动机曲轴疲劳损伤的KM的阈值。以此为基础,综合采用金属磁记忆和超声波检测方法对再制造曲轴毛坯的再制造性进行评价。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 疲劳寿命预测仿真方法的研究现状
• 1.2.2 无损检测技术国内外研究现状
• 1.3 课题来源
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 试验材料、方法及设备
• 2.1 试验材料
• 2.2 试件类型
• 2.3 试验所用仪器设备
• 2.3.1 静载拉伸及拉-拉疲劳试验设备
• 2.3.2 金属磁记忆检测设备
• 2.3.3 超声波检测设备
• 2.3.4 摩擦磨损试验设备
• 2.3.5 显微组织观察设备
• 2.3.6 材料硬度测试设备
• 第3章 金属磁记忆检测试验研究
• 3.1 平板试样（JL 型）静载拉伸试验
• 3.1.1 试验方法
• 3.1.2 试验结果及分析
• 3.2 平板光滑（PL 型）试件拉-拉疲劳试验
• 3.2.1 试验方法
• 3.2.2 试验结果及分析
• 3.3 平板缺口（QPL 型）试件拉-拉疲劳试验
• 3.3.1 试验方法
• 3.3.2 试验结果及分析
• 3.4 磁记忆信号影响因素试验研究
• 3.4.1 疲劳裂纹和静态预制缺陷对磁记忆信号的影响
• 3.4.2 提离高度对磁记忆信号的影响
• 3.4.3 检测方向对磁记忆信号的影响
• 3.5 摩擦磨损条件下的金属磁记忆检测试验初探
• 3.5.1 试验材料、方法及设备
• 3.5.2 试验结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 磁记忆/超声无损评估疲劳损伤的试验研究
• 4.1 静载及疲劳条件下磁记忆信号变化规律数学表达式
• 4.1.1 静载拉伸试验磁记忆信号的数值模拟
• 4.1.2 疲劳试验磁记忆信号的数值模拟
• 4.2 磁记忆方法预测疲劳裂纹萌生寿命的试验研究
• 4.2.1 光滑 PL 型试样疲劳裂纹萌生寿命预测
• 4.2.2 缺口 QPL 型试样疲劳裂纹萌生寿命预测
• 4.3 磁记忆/超声综合预测疲劳裂纹扩展寿命的初步研究
• 4.3.1 断裂力学预测疲劳裂纹扩展寿命
• 4.3.2 磁记忆预测疲劳裂纹扩展寿命的研究
• 4.3.3 超声预测疲劳裂纹扩展寿命的研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 磁记忆/超声综合无损评估再制造前曲轴质量
• 5.1 曲轴动力学模拟仿真
• 5.1.1 曲轴系统在solidworks 中的建模
• 5.1.2 曲轴系统在 MSC.Adams 中的动力学分析
• 5.1.3 曲轴系统在 Ansys 中的有限元分析
• 5.2 曲轴失效分析及检测方法制定
• 5.2.1 断口宏观观察
• 5.2.2 断口微观观察
• 5.2.3 曲轴材料微观组织
• 5.2.4 无损检测方法的选择
• 5.3 再制造前旧曲轴的超声检测
• 5.3.1 超声探头及其校准方法
• 5.3.2 手动超声检测方法
• 5.3.3 超声检测夹具的设计
• 5.3.4 自动化超声检测方法
• 5.4 再制造前旧曲轴的磁记忆检测
• 5.4.1 轴类模拟试验件的磁记忆检测
• 5.4.2 曲轴磁记忆检测的实际应用
• 5.5 再制造前曲轴的磁记忆/超声综合无损评估方法
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历