航空发动机涡轮叶片表面裂纹的超声红外热成像检测

为了验证超声红外热成像检测方法对航空发动机涡轮叶片表面不同分布类型的微裂纹缺陷的检测可行性及检测效果,采用理论分析和试验结合的方法,通过分析超声红外热成像检测原理,建立超声红外热成像检测系统;对含已知类型裂纹的涡轮叶片进行超声红外热成像检测,根据试验结果分析该方法的有效性以及裂纹分布对检测结果的影响。结果表明,该方法能够快速判断叶片是否存在缺陷;对于裂纹独立分布的叶片,该方法能够准确检测出裂纹的大小和位置,而对于裂纹弥散分布的叶片,其虽然能快速检测出裂纹分布区域,但难以对裂纹数量做出定量分析。

超声红外热成像技术国内研究现状与进展

超声红外热成像技术具有选择性加热、可检测复杂工件裂纹缺陷的优点,是一种具有很大研究价值的无损检测方法。本文介绍了超声红外热成像技术原理与系统组成,并对国内的发展历程、发展现状进行了回顾和总结。重点针对仿真研究、复合材料损伤、疲劳裂纹、金属构件裂纹、混凝土零件裂纹应用领域的研究现状进行了详细论述,最后展望了超声红外热成像技术的未来发展趋势。

基于超声红外热波技术的再制造零件裂纹检测研究现状

再制造是制造的延续,再制造零件由涂覆层和已经服役过的基体组成,异质材料体系的添加以及二次服役使得再制造零件的安全面临巨大的挑战,辨识及表征再制造零件缺陷是再制造零件服役安全评价的重要难题。超声红外热波检测技术利用超声激励产生能量转化和热传导原理,通过采集材料表面和近表面的红外热图对缺陷结构进行反演表征,是热学无损检测技术中非常重要的研究方向。然而,由于涂层的存在,将红外热波技术用于再制造零件裂纹的评价表征也面临着新的理论难题。基于此,本文系统分析了再制造零件的特点,总结了超声红外热波的检测机理,详细综述了低频超声振动能量与裂纹缺陷耦合生热机制研究现状,其中,摩擦生热机制得到了较多的理论支持和试验验证。同时,概述了内部热异常信号向表面瞬态传导的规律。通过对多种超声红外热波的辨识理论的应用,可实现表面异常热波的辨识及准确表征的协同提升。最后,对表面裂纹、界面裂纹及基体裂纹检测的研究现状进行概述,并总结了超声红外热波技术在再制造零件缺陷检测方面的应用和亟待解决的问题。

基于超声红外热成像技术的涡轮叶片裂纹检测

使用等离子喷涂工艺对涡轮叶片喷涂镍铬铝钇涂覆层,采用超声红外热成像技术对喷涂前和喷涂后的涡轮叶片进行检测,可以检测到2处裂纹缺陷;采用渗透检测技术只能检测到喷涂前涡轮叶片的1处裂纹缺陷,无法检测出喷涂后涡轮叶片的裂纹缺陷;最后对喷涂后的涡轮叶片进行剖析和金相显微镜检测,发现2处裂纹缺陷,验证了超声红外热成像技术对含涂覆层涡轮叶片裂纹检测的有效性。对比试验表明,超声红外热成像技术可检测喷涂前和喷涂后涡轮叶片的裂纹缺陷。

超声红外热像技术及其在无损检测中的应用

在超声技术和红外热像技术的基础上,建立了混合型的超声红外热像系统,并利用超声红外热像技术检测材料(试样)的缺陷(裂纹)和残余应力等不均匀结构。当超声波脉冲发射到样品中时,声能在样品中衰减而转化为热能,样品内部及表面的温度会升高。一般情况下,在缺陷或不均匀的区域声衰减更显著,引起的温度变化更大,而温度的差别可以用红外热像仪来观察和记录。因此可以很灵敏和迅速地对缺陷或结构和应力不均匀的区域进行检测。

超声红外热像技术中金属平板裂纹的生热特性

超声红外热像技术是一种新型无损检测技术,缺陷区域生热特性的研究有利于最优化检测方案的制定。实验分析表明:超声激励作用于含贯穿裂纹的金属平板时,与激励同侧的裂纹区域温度升高比异侧更明显,但裂纹面总体的生热效率稳定。针对上述实验现象,采用显式有限元方法建立了与实验系统对应的仿真模型,进行了机热耦合分析。在仿真模型中,采用压电-力类比方法模拟超声换能器的逆压电效应,并引入动态松弛模拟预紧力对被测平板初始状态的影响。仿真与实验结果得到了一致的裂纹区域温度分布和裂纹面生热规律,建立了裂纹面生热效率与裂纹面摩擦力及相对运动速度之间的联系,揭示了工具杆和被测平板之间的预紧力使裂纹面接触状态改变是裂纹生热向激励同侧偏移的直接原因。

超声红外热像检测中疲劳裂纹的检出概率模型研究

超声红外热像检测技术的可靠性研究具有重要意义,特定检测条件下不同缺陷的检出概率是衡量检测可靠性的根本方法。文中制作了一系列含疲劳裂纹的45钢试件,实验结果表明:当检测条件确定时,裂纹区域响应热信号随着裂纹尺寸的增大而增强,响应热信号的对数与裂纹尺寸大体上呈线性关系。基于超声红外热像检测数据的统计特征,确定了回归分析模型中变量的形式,采用极大似然估计和Wald法分别给出了检出概率曲线的参数及其置信区间。研究成果能够为评价超声红外热像技术中检测可靠性提供量化依据。

超声红外热像检测条件的优化方法研究

在超声红外热像检测中,激励强度、激励时间和工具杆与被测对象之间的预紧力等检测条件是影响缺陷热信号的重要因素。实验和仿真分析表明:激励时间和激励强度的增加将使裂纹生热增强,而预紧力的增加却使得裂纹生热呈现先增强后减弱的趋势,且检测条件对裂纹生热存在交互影响;另外,不恰当的检测条件将导致超声激励系统报警。基于检测条件对裂纹热信号和报警数据的影响分析,文中提出了采用多元非线性回归模型和Logistic回归模型以估算特定检测条件下裂纹检出概率和检测报警概率,最终确定了检测条件的选择范围。上述检测条件的优化方法能够为超声红外热像检测技术中检测方案的制定提供理论指导。

界面贴合型缺陷的超声红外热波检测与识别

为了实现对复合材料内部界面贴合性缺陷的快速检测和识别,采用超声红外热波方法进行了检测研究。建立了一个含有表面微裂纹、边缘垂直裂纹、分层、脱粘等4种缺陷类型界面贴合型缺陷的复合材料有限元模型,进行了超声热波检测数值仿真。并分别制作了碳纤维增强复合材料分层损伤试件、玻璃纤维复合材料疲劳裂纹试件和T700/BA202环氧树脂基复合材料冲击损伤试件,开展了超声红外热波检测实验和缺陷识别研究。结果表明,超声热波方法适合于复合材料裂纹、分层、冲击损伤等界面贴合型缺陷的快速检测和识别,而对脱粘等非界面贴合型缺陷则无检测效果。微小裂纹(0.001 m)可以被检测出,对浅表面(0.001 m深)缺陷的识别精度达95%,且裂纹越长,裂纹面越大越容易被检出,对0.002 m长的裂纹的检测误差为13.88%,与超声C扫方法相比,超声热波方法对冲击损伤大小的识别误差为5.7%。

超声红外热像技术中预紧力对金属平板振动特性的影响

在超声红外热像检测过程中,超声脉冲激励下被测对象的振动状态直接决定了缺陷区域的生热效果,而工具杆与被测对象之间的预紧力是影响被测对象振动状态的重要因素之一。试验结果表明:预紧力的增大使得振动能量呈上升趋势并伴随着小范围不稳定,同时被测对象的振动频谱由混沌振动开始,经历次谐波、准次谐波后达到超谐波振动状态。针对上述现象,采用显式动力学方法建立了与试验条件相对应的有限元模型,并进行了瞬态动力学分析。模型采用压电-力类比方法来模拟压电陶瓷的逆压电效应,同时引入了动态松弛来更准确模拟试验工况。仿真结果验证了试验观察到的现象,并进一步揭示了预紧力的增大将改变超声工具杆和被测平板之间的接触力状态,从而改变被测试件的振动能量分布和振动频谱。研究成果有助于实现通过预紧力来控制被测对象振动状态,进而达到优化超声红外热像检测的目的。

含曲率结构裂纹的超声红外热波检测数值仿真

针对含曲率结构中裂纹缺陷的检测,采用数值仿真方法研究了超声红外热波技术的可行性。建立不同曲率含有裂纹缺陷复合材料构件的有限元模型,在超声波的激励作用下,获得了构件表面温度分布图,实现了对裂纹缺陷的检测,并对比分析了构件的曲率对检测结果的影响。结果表明:超声热波方法可以应用于含曲率结构的裂纹缺陷检测,并且结构的曲率越大,检测结果越好。

超声红外热波检测多模式激励的数值仿真

针对超声红外热波检测中出现的驻波问题,提出了多模式激励方式消除驻波影响的方法.建立了含裂纹缺陷的复合材料构件有限元模型,并采用双源激励超声热波检测方法进行了检测仿真分析.结果表明:多模式激励方法能够使构件的响应波形中产生更为丰富的次谐波和高次谐波,可有效消除驻波的影响,提高超声热波技术的检测能力,并且可以避免对材料造成二次损伤.

超声红外热像技术中缺陷的自动识别

超声红外热像技术是一种新型无损检测技术,对金属试件疲劳裂纹、复合材料冲击损伤等缺陷具有良好的检测效果。传统缺陷识别主要依靠肉眼识别和专业经验,对缺陷类型、缺陷程度的判断很难定量把握;基于时间序列的缺陷识别算法速度慢、精度差、自动化程度低。本文以超声红外热像技术中裂纹的检测为例,通过对比分析热图像分割区域中裂纹区域与亮点区域的形状、灰度等分布特征,提取了用于裂纹信息识别的特征参量,开发了基于加权支持向量机的裂纹自动识别算法,为实现超声红外热像技术中缺陷的自动识别奠定了基础。试验验证了本文所提特征参量和自动识别算法的有效性。

超声红外热像技术在混凝土结构检测中的应用

针对混凝土结构缺陷检测中操作复杂及工作量大等大量难题,将国内外新型的无损检测技术——超声红外热像技术引入到混凝土缺陷检测过程中。简单地介绍了超声红外热像技术的基本原理及其特点,着重分析了信噪比、热激励和预紧力3个因素对检测效果的影响,并成功进行了混凝土的缺陷检测的试验。试验结果表明:该技术能够实现混凝土隐性裂纹等缺陷的准确定位,并且能够在较短的时间内对其进行快速检测。

新型超声红外热像无损检测实验系统研制

设计并实现了一套适于教学使用的新型结构无损检测实验系统,介绍了实验原理和实验系统的设计。该实验系统以低功率压电陶瓷换能器为核心构建硬件系统。教学实践表明,该实验系统在获得良好实验效果的同时,具有实验装置安装方便、实验内容设置灵活和实验风险较小且可控等优点,有效解决了传统超声红外热像实验系统在教学应用方面的不足,为学生学习掌握超声红外热像无损检测技术提供了先进、适用的教学手段和实验条件。

超声红外热像中激励源位置对裂纹生热的影响

超声红外热像技术是一种新型无损检测技术,裂纹生热效果直接决定了裂纹的可检测性,而激励源位置是影响裂纹生热的因素之一。针对激励源位置对裂纹生热影响不清楚的问题,建立了超声换能器与被测金属平板的有限元模型,并搭建了超声红外热像检测系统;研究了不同激励源位置时裂纹的生热特性;并利用等效摩擦力、等效速度以及等效热流进行了有效验证。研究表明:当激励源位于裂纹面正下方时,由于裂纹面两侧振动同步,裂纹生热效果将受到抑制;而随着激励源位置向两侧移动,裂纹生热呈现出先波动上升后波动下降的趋势,而且预紧力越大波动越剧烈。研究成果有效地揭示了激励源位置对裂纹生热的影响规律,为超声红外热像技术的检测优化奠定了理论基础。

红外热像仪在超声红外热像技术中的应用

介绍了在材料中激发短脉冲超声波检测材料缺陷的新方法——超声红外热像技术。对HWRX-3型红外热像仪系统进行扩展改进,为其研制了与计算机联接的数据采集卡、硬件驱动程序、用户软件。发展了该系统在超声红外热像技术中的应用,并针对超声红外热像技术,提出了微弱变化的红外热像图的处理方法。

超声红外热像法的激励参数影响规律研究

超声红外热像作为一项新型无损检测方法早已引起国内外研究人士的重视,研究超声波激励参数的影响对该方法的工程应用和理论研究具有重要意义。本文基于ANSYS有限元软件采用热固耦合的方法对超声波激励裂纹生热的过程模拟分析,研究了不同激励参数下(激励时间、激励幅值、激励位置)结构件裂纹缺陷的生热规律。并进行了超声波红外热像疲劳裂纹检测实验,实验结果验证了有限元分析的可行性。

混凝土板裂缝的超声红外热像检测机理

为探讨超声红外热像对混凝土裂缝检测的机理,设计带有预制裂缝的混凝土板试件,采用超声红外热像检测系统开展超声激励下混凝土板裂缝生热试验.通过分析裂缝生热的红外热像图和试验后裂缝表面的显微成像,归纳超声激励下混凝土板裂缝的生热机理;基于裂缝的生热机理,分析预紧力、激励时间和激励强度对裂缝生热的影响.试验结果表明:裂缝生热来源于裂缝面的接触、碰撞和滑移作用,裂缝面中下部为主要生热区域且裂缝面平整无填充物.增大预紧力、激励时间和激励强度都能使得更多的超声能注入至混凝土板试件,从而促进裂缝生热量的增多;当预紧力为110~120 N且激励强度为21%~24%时,裂缝具有良好的热响应,利于检测识别.

基于超声红外热成像的复合材料表面裂纹识别

针对复合材料表面裂纹识别精度低、耗时过长等问题,提出了基于超声红外热成像的复合材料表面裂纹识别方法。利用数值分析模拟超声作用下复合材料损伤位置的摩擦生热和热传导过程,分析了温度分布与尺寸对识别结果的影响,根据分析结果建立裂纹图像的初始特征,通过映射互关联将特征转换到目标特征信息空间,完成特征信息的解耦映射,提取表面裂纹数据,根据数据得到裂纹的轮廓信息,运用贴合度计算裂纹的宽度和面积,完成裂纹的三维重构,实现复合材料表面裂纹的精准识别。结果表明,本文方法可提升裂纹识别的准确率最高达85%,识别时间短,能够在短时间内获取可靠的识别结果。