构件疲劳损伤非线性检测的理论、方法及应用

第1章 绪论 1.1 背景和意义 在现代社会，人们的日常生活、社会政治经济活动越来越离不开各式各样的工业产品。工业产品的使用和消费，已经成为现代社会生产、生活不可或缺的内容。从人们出行的代步工具到居家生活的家用电器，从个人办公通信设备到娱乐休闲用品，都离不开工业产品。各种使用中的工业产品设备迟早会出现故障，但人们希望能在设备产生故障危险之前进行预判。如果人们驾驶汽车正常出行时，汽车发动机突然敲缸或传动轴突然断裂或其他关键零部件突然失效，将可能造成交通安全事故，轻则经济损失、重则人身伤害。在工业生产中，有缺陷的设备持续服役会导致某些零部件断裂，将会造成严重的设备事故，甚至会伴随灾难性的人身事故。金属疲劳导致工业产品的金属结构突然脆断和开裂，是结构失效事故的主要原因。时有发生的结构失效事故，对社会生产安全及人民生命财产构成了极大的威胁。 机械结构构件和零部件在工程服役过程中主要经受腐蚀、磨损和断裂等形式的破坏，导致结构构件和零部件失效、造成严重的结构和设备的安全事故。大型化、复杂化、高效化是现代和未来机械设备及各类结构的发展方向。这就要求设备结构适应更严酷工作环境、承受更复杂的载荷和经历更长工作时间，结构构件安全将面临越来越严峻的挑战。设备结构及构件承受复杂载荷、处于严酷工作环境中持续长时间的工作，很容易导致结构及构件产生疲劳损伤，设备会因疲劳损伤而失效。为了设备结构及构件的服役安全、保障正常生产运行、防范因结构及构件损伤导致的恶性事故，必须深入研究结构及构件疲劳损伤的机理，对疲劳损伤检测和有效辨识的技术方法进行深入研究。 大力发展循环经济是保护生态环境的要求，也是维持社会发展可持续性的必然选择。随着汽车、机电产品、航空航天等产业的迅猛发展，设备折旧速度日益加快，废旧零部件的数量与日俱增，这些废旧零部件如果得不到重复利用，则会浪费资源、污染环境和占用地球空间。在这种境况下，再制造工程应运而生。应用“产品全生命周期”理念，回收报废工业产品、拆解清洗旧零部件、评估寿命、采用现代修复技术修复、重新装配成新产品等一系列工程活动就是再制造工程。再制造是节约资源、环境友好的循环经济生产方式，是经济社会可持续发展的绿色制造。机械装备再制造已经在欧美等发达国家获得成功，取得了巨大的经济效益。 再制造工程所研究的对象是已经拆解下来、经过清洗、没有明显的表面损伤的零部件。由于这些零部件都是经历过一段服役期的旧件，极有可能在其内部产生了不同程度的疲劳损伤，只是在表面上没有明显地表现出来。因此，研究旧零部件疲劳损伤检测的技术方法就显得十分必要。不是任何一个旧零件均可以作为再制造的改造对象，或者说具有再制造的价值，所以在选择再制造旧零件之前需要对旧零件进行内部的疲劳损伤检测。 对废旧零件进行评估后再制造是*节能、节材、环保的方式。通过对旧零部件受损伤情况进行检测和寿命评估，判断其有无再制造价值。因此，对旧零件损伤检测、寿命评估是再制造工程的核心基础课题，是当前的研究热点。零件在其服役过程中经受的疲劳、蠕变、磨损、腐蚀、热损伤等累积，可能外观和内部都存在损伤缺陷(如微裂纹)。外观损伤容易发现和处理，而内部损伤缺陷则隐藏其中、不易发现，却决定其再用寿命。如何将这些内部损伤或缺陷(如微裂纹)检测出来，将是再制造的关键和保障。为了确保再制造的质量，必须对每一件再制造的旧零件进行检测和寿命评估。很显然，繁杂的、费用高的检测方法是不适用的，必须寻找一种简便、高效、低成本的检测评估方法。要完成对旧零件的检测评估，必须解决以下三个问题：**，如何使旧零件内部可能存在的疲劳损伤或缺陷(如微裂纹)产生可被检测到的信号；第二，如何建立适合的测试信号检测分析模型，提取旧零件内部可能存在的疲劳损伤或缺陷特征；第三，如何由检测提取得到的疲劳损伤或缺陷特征参数，建立旧零件寿命评估及分类的模式和方法。 对构件疲劳损伤缺陷检测评估的技术方法有重要的应用前景。因此，开展对构件疲劳损伤检测的理论和方法研究，将对攻克在役构件和再制造零件的检测关键技术、提高设备的使用安全和再制造质量等方面有重要现实意义，并将丰富、发展设备故障预测和健康管理的相关理论。 1.2 疲劳损伤的认识历程 在足够多循环的交变应力作用后，在承受交变应力的某些点或局部位置，在形成裂纹完全断裂前所发生的材料内部永久结构变化的发展过程，称为疲劳[1]。这是得到公认的美国试验与材料协会给出的疲劳定义。金属疲劳是导致机械设备结构及构件发生断裂失效事故的主要原因。机械设备结构的零部件在服役过程中，若承受的载荷较高或者承受载荷是循环变化的，该零部件就会疲劳损伤，可能发生断裂损坏失效。人们对疲劳损伤的认识是一个不断演进的历史过程，迄今已有100多年。 19世纪初，铁路交通蓬勃发展，但时有车轴疲劳断裂，构成了对交通安全的威胁。一些机车车轴在设计寿命内发生疲劳断裂，是疲劳史上遇到的首个关于疲劳损伤的现实问题。1829年，德国的艾伯特为了模拟交变载荷对焊接链条进行反复加载试验，链条在承受约10万次循环载荷后就出现破坏现象。1839年，法国的彭赛列在论文中**次使用“疲劳”来描述实验现象。在1843年，苏格兰的兰金认为金属性能的逐渐变坏是导致车轴断裂破坏的主要原因。学术界公认的*先系统地实验研究疲劳强度的是德国人沃勒。他在1850年研制了旋转弯曲疲劳试验机，进行了系列疲劳试验。研究发现，当承受低于弹性极限的交变应力、交变循环次数足够多后车轴会发生疲劳破坏；存在一个极限应力幅值，只要承受的交变循环应力幅值小于此极限值，不会发生疲劳破坏。他提出了S-N曲线，奠定了疲劳研究基础。1870～1899年，古德曼、格伯等经过近30年的大量试验研究，绘制了疲劳极限线图，提出了疲劳强度设计理论，推进疲劳强度设计。尤因和汉弗莱在1903年发表了《在反复交变应力作用下的金属断裂》的经典论文，公布了退火瑞典铁旋转弯曲疲劳试验结果。从微观和宏观相结合的认知视角，分析和解释材料发生微观滑移现象与材料的宏观疲劳破坏的有机联系，更清楚地阐述了疲劳机理。1923年，英国的高夫发现，如果材料承受应力幅值低于疲劳极限，整体将不会发生塑性变形；应变硬化会影响材料受循环应力作用的塑性变形，随着应力循环数的增加，所产生的反复塑性变形会减少[2]。1924～1945年，经过20多年的大量试验研究，迈因纳全面系统地创建了损伤线性累积的理论。早在1954年，科芬和曼森等就先后建立了应变-寿命方程，但直到1961年才逐步发展为大家熟悉并得到广泛应用的局部应力-应变法。基于随机振动理论，恩多和马特修斯在1968年创建了雨流计数法，通过应力-应变滞后环表现材料的塑性性质，每一个小的应力-应变循环都会累积而引起材料的损伤[3，4]。美国汽车工程师学会在复杂载荷下疲劳机理理论和实验研究的基础上总结出版专著，全面系统地介绍了局部应力-应变原理的理论及其工程应用方法，推动了广泛的工程应用[3]。 金属疲劳损伤一般经历裂纹萌生阶段、裂纹缓慢扩展阶段、裂纹快速扩展阶段、临近破坏等四个阶段。裂纹萌生阶段，金属材料产生了位错滑移，晶格发生扭曲，晶粒产生破裂，这种现象在交变应力的继续作用下不断出现，直到形成疲劳裂纹源，即疲劳裂纹成核；裂纹缓慢扩展阶段，晶粒破裂孔洞不断积累长大，但过程比较缓慢且均匀，孔洞之间连通速度也比较缓慢；裂纹快速扩展阶段，孔洞之间连通速度逐渐加快，在表面含有很多与正应力方向相同的撕裂棱；临近破坏阶段，随着金属裂纹扩展，出现突然断裂。 通过对疲劳损伤过程的研究，可以实现疲劳寿命预测；疲劳寿命的预测可分为早期、中期和晚期预测。可以用成熟的理论(如疲劳强度理论)及辅助验证试验确定设备的设计寿命或计算寿命，实现早期预测；通过对设计寿命之内的服役设备的状态监测、故障诊断、剩余寿命预测，可以避免设备运行期间出现意外事故，实现中期预测；可以用无损检测及金相检验等方法检验鉴定设备受损伤程度、分析设备当前运行状况与历史运行数据，应用断裂力学等理论及预测新技术估算剩余寿命、评估设备剩余安全运行的时间，实现晚期预测。一般在设计时都考虑一定的安全系数，致使设计寿命基本偏于保守，往往设备还有充裕的剩余寿命时就按设计寿命要求进行报废，造成很大的浪费。晚期预测通过鉴定设备受损伤程度、分析设备运行状况、估算剩余寿命、延长设备安全服役时间，对提高设备的安全使用效率显得尤其重要。收集分析大量的积累寿命资料、进行大量试验建立合理合适的破坏(失效)理论、实地设备运行的海量监测数据分析等技术基础是寿命预测成败的关键。破坏(失效)理论及其基础试验是寿命预测的前提，是支撑设备结构安全运行的重要基础。过去一百多年的大量研究，已基本揭示不同材料与结构的破坏(失效)的规律本质，寿命预测的理论体系已初步创立。寿命预测理论体系的创立经历了技术初创期、技术发展期和技术成熟期。 技术初创期：德国人沃勒1850年提出了著名的S-N疲劳寿命曲线及疲劳极限的概念，标志着技术初创期的开始，并奠定了经典疲劳强度理论基础。他采用旋转疲劳试验机进行了相当长时间的系统疲劳试验，不断深化对疲劳及疲劳损伤机理的本质规律认识，不断总结经验和提升理论，创立了历经考验的广泛认可的经典疲劳强度理论，至今在工程中仍广泛应用。 技术发展期：19世纪末，人们尝试把金属材料微观行为(位错、滑移等)与疲劳损伤宏观行为结合起来研究，标志着技术发展期的到来。通过金相显微镜观察金属疲劳损伤过程的微观结构，发现疲劳损伤过程可分为裂纹萌生成核、疲劳裂纹形成、疲劳裂纹扩展、疲劳裂纹失稳扩展等阶段。人们对裂纹扩展规律进行了近百年的不懈探索，提出了各种裂纹扩展规律的理论。例如，20世纪50年代，断裂力学在裂纹尖端应力场强度理论的基础研究中创立；1963年Paris等提出了著名的Paris公式，用断裂力学方法表达裂纹扩展规律。在运用Paris公式解决不同问题时，一些学者修正和拓展了Paris公式，特别由此发展的“损伤容限设计”，是疲劳强度设计后来的发展方向[3，4]。通过对裂纹萌生过程(主要指宏观可见缺陷或裂纹出现之前的过程)的力学研究，定义损伤变量表征损伤演化规律、预测疲劳寿命，Janson在1977年创立了损伤力学。经过连续不断的试验和理念研究，不断创新和完善连续损伤力学、微观损伤力学及微像损伤理论(宏微观结合理论)等支撑基础理论，损伤力学获得了重要发展，已成为分析工程结构疲劳损伤破坏与预测寿命的重要力学手段。 技术完善期：百多年来的大量研究促进了对疲劳及疲劳损伤本质和规律的认识，信号分析及人工智能的结合与应用，标志着寿命预测的理论进入了技术完善期。表现在以下几方面[4，5]：**，在非线性连续损伤力学模型、金属全寿命模型和裂纹扩展速率指数模型的基础上，提出了基于小裂纹理论的疲劳全寿命预测方法、等效应变能密度寿命预测方法和基于裂纹扩展速率的寿命预测方法；第二，随着温度和腐蚀等环境因素对寿命预测影响的研究不断深化，拓展了预测理论基础，形成了复杂环境影响下的高温蠕变寿命预测技术、腐蚀寿命预测技术、疲劳蠕变寿命预测技术；第三，在复杂载荷形式影响寿命的研究基础上，创建了多轴疲劳寿命模型、多轴变幅载荷高周疲劳寿命模型，形成了多轴蠕变疲劳寿命预测技术。人工神经网络及智能专家系统有力地推动了寿命预测技术的进步和发展。 1.3 疲劳损伤检测技术的发展 构件和零部件疲劳损伤会发展为疲劳裂纹，导致结构构件损坏失效，是一种潜在的灾难性危害。为对构件和零件进行疲劳损伤检测评估，避免由损伤引起故障或事故，许多学者做了大量的研究，相应地出现了许多检测技术，如超声波、涡流、光纤热敏、引导性声波(包括Lamb波)、基于振动分析技术等检测方法。这些检测技术和方法可分为两大类，即局部检测技术和全局检测技术。 局部检测技术：采用无损检测技术对机械设备构件和零部件的局部位置有限区域进行检查，探查该位置的力学性能、构造特性及损伤情况，完成结构特定位置的局