【摘要】：殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)械構(gòu)件的服役性能具有重大影響,尤其是對(duì)其強(qiáng)度、疲勞壽命和尺寸穩(wěn)定性。如何快速、無(wú)損地檢測(cè)與調(diào)控構(gòu)件表面或一定深度內(nèi)的殘余應(yīng)力一直是研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題,本文首先對(duì)殘余應(yīng)力的聲彈性檢測(cè)、殘余應(yīng)力的高能超聲調(diào)控進(jìn)行了理論研究與仿真模擬。而后制定了殘余應(yīng)力檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)與構(gòu)成,建立了殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)與高能超聲調(diào)控的軟硬件系統(tǒng),其中主要提出了聲時(shí)差優(yōu)化算法,創(chuàng)新地將檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)結(jié)合,首次開(kāi)發(fā)出高能超聲調(diào)控狀態(tài)下的殘余應(yīng)力在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),初步實(shí)現(xiàn)了殘余應(yīng)力檢測(cè)與調(diào)控的閉環(huán)控制。進(jìn)一步,考慮到工程現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境因素對(duì)檢測(cè)精度的影響,研究了殘余應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定與校準(zhǔn)方法、殘余應(yīng)力檢測(cè)的補(bǔ)償理論與方法,通過(guò)與X射線殘余應(yīng)力分析儀的對(duì)比試驗(yàn),以及不確定度分析等,驗(yàn)證了檢測(cè)精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求;在調(diào)控方面,通過(guò)三因素三水平的正交試驗(yàn),研究了各影響因素對(duì)不同材料殘余應(yīng)力的調(diào)控規(guī)律,得到最佳調(diào)控參數(shù)。最后針對(duì)幾種典型材料典型工程裝備,利用自研的殘余應(yīng)力檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng),開(kāi)展了服役狀態(tài)下殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)與原位局部調(diào)控的應(yīng)用研究。第一章闡述了論文研究的目的和意義,對(duì)國(guó)內(nèi)外殘余應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)的最新現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述和對(duì)比分析,概述了全文的研究?jī)?nèi)容。第二章基于聲彈性理論,研究了超聲波傳播速度和方向與應(yīng)力的關(guān)系,對(duì)比研究了縱波、表面波和剪切波對(duì)應(yīng)力的敏感度�；谒鼓�,產(chǎn)生出沿著被測(cè)件表面?zhèn)鞑サ呐R界折射縱波,利用固定聲程的聲時(shí)法,推導(dǎo)了應(yīng)力系數(shù)K的表達(dá)式,給出了應(yīng)力系數(shù)與傳播聲程的理論關(guān)系。研究臨界折射縱波的傳播規(guī)律,并對(duì)傳播過(guò)程進(jìn)行有限元仿真分析。基于超聲頻率與滲透深度的關(guān)系,建立了應(yīng)力深度梯度檢測(cè)的理論模型,設(shè)計(jì)了C形應(yīng)力試樣來(lái)產(chǎn)生應(yīng)力梯度,通過(guò)對(duì)比X射線應(yīng)力分析儀測(cè)量值與C形試樣應(yīng)力仿真值,驗(yàn)證了模型的正確性。第三章對(duì)殘余應(yīng)力高能超聲調(diào)控理論進(jìn)行了研究。從兩個(gè)方面闡釋了高能超聲調(diào)控殘余應(yīng)力的機(jī)理。一是研究了高能超聲對(duì)位錯(cuò)的微觀作用,建立了高能超聲對(duì)晶格位錯(cuò)松弛作用的數(shù)學(xué)表達(dá)式;二是分析了高能超聲對(duì)材料的宏觀塑性誘導(dǎo)效應(yīng),通過(guò)塑性誘導(dǎo)仿真與實(shí)驗(yàn),證實(shí)了高能超聲能降低材料的屈服強(qiáng)度,激活錯(cuò)排原子,加快殘余應(yīng)力的消減過(guò)程。第四章開(kāi)發(fā)與建立了殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)與調(diào)控的軟硬件系統(tǒng)。對(duì)聲時(shí)差測(cè)量的不同算法組合進(jìn)行了Matlab仿真,考慮了耦合劑薄膜厚度不均,以及被測(cè)件厚度不同帶來(lái)的誤差,提出了聲時(shí)差優(yōu)化算法。創(chuàng)新地將檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)結(jié)合,通過(guò)設(shè)計(jì)ZTC4鈦合金的應(yīng)力閉環(huán)調(diào)控實(shí)驗(yàn),初步實(shí)現(xiàn)了殘余應(yīng)力檢測(cè)與調(diào)控的閉環(huán)控制。第五章在殘余應(yīng)力聲彈性檢測(cè)原理基礎(chǔ)上,提出了檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定與校準(zhǔn)方法,著重開(kāi)展了殘余應(yīng)力檢測(cè)的補(bǔ)償理論與方法研究。建立了溫度對(duì)檢測(cè)精度影響的理論模型,提出了溫度補(bǔ)償算法并試驗(yàn)驗(yàn)證;研究了晶體粒度和形態(tài)分布對(duì)檢測(cè)精度的影響,提出了理論計(jì)算補(bǔ)償法和拉伸試驗(yàn)補(bǔ)償法并試驗(yàn)驗(yàn)證;對(duì)被測(cè)件表面弧度與粗糙度的影響進(jìn)行分析,提出有效解決途徑。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果的不確定度分析,證實(shí)了系統(tǒng)的檢測(cè)精度。在殘余應(yīng)力超聲調(diào)控原理基礎(chǔ)上,采用三種典型材料,研究了各因素對(duì)不同材料應(yīng)力調(diào)控的影響規(guī)律,得到最佳調(diào)控參數(shù)。同時(shí)還研究了高能超聲對(duì)材料硬度、強(qiáng)度和金相組織的影響,驗(yàn)證了殘余應(yīng)力高能超聲調(diào)控理論。第六章利用研發(fā)的殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng),開(kāi)展了針對(duì)鋁合金焊接與鉚接件、結(jié)構(gòu)鋼焊接件以及非金屬件的殘余應(yīng)力檢測(cè)與調(diào)控工程應(yīng)用研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)與效果,分別制定了檢測(cè)工藝規(guī)范與調(diào)控工藝規(guī)范。
[Abstract]:Residual stress has a great influence on the serviceability of mechanical components, especially on their strength, fatigue life and dimensional stability. How to detect and control the residual stress on the surface or in a certain depth quickly and nondestructively has always been a difficult and hot issue. After that, the technical index and composition of the residual stress detection and control system are formulated, and the software and hardware systems of the residual stress detection and high-energy ultrasonic control are established, in which the acoustic time difference optimization algorithm is proposed, and the detection and control system is innovatively designed. The on-line real-time monitoring system of residual stress under the condition of high-energy ultrasonic control is developed for the first time, and the closed-loop control of residual stress detection and control is preliminarily realized. Compensation theory and method, through the comparative test with X-ray residual stress analyzer, and uncertainty analysis, verify that the detection accuracy meets the design requirements; in the control aspect, through three factors and three levels of orthogonal test, study the regulation rules of various factors on the residual stress of different materials, and get the best control parameters. Aiming at several typical engineering equipments made of several typical materials, the application research of ultrasonic testing and in-situ local control of residual stress in service state is carried out by using the self-developed residual stress detection and control system. Chapter 1 expounds the purpose and significance of the research, and the most important of the non-destructive testing technology of residual stress at home and abroad, and the residual stress control technology. In the second chapter, based on the theory of acoustic elasticity, the relationship between ultrasonic propagation velocity, direction and stress is studied, and the sensitivity of longitudinal wave, surface wave and shear wave to stress is compared. The expression of stress coefficient K is deduced by means of acoustic time method with fixed sound path, and the theoretical relationship between stress coefficient and sound path is given. The propagation law of critical refraction longitudinal wave is studied, and the propagation process is simulated by finite element method. The model is validated by comparing the measured value of X-ray stress analyzer with the stress simulation value of C-shaped specimen. In the third chapter, the theory of high-energy ultrasonic control of residual stress is studied. The mathematical expression of lattice dislocation relaxation induced by high-energy ultrasound is established. Secondly, the macroscopic plastic induction effect of high-energy ultrasound on materials is analyzed. The simulation and experiment of plastic induction prove that high-energy ultrasound can reduce the yield strength of materials, activate staggered atoms and accelerate the reduction of residual stress. The fourth chapter develops and establishes the software and hardware system of ultrasonic detection and control of residual stress. The different algorithm combinations of acoustic time difference measurement are simulated by MATLAB. Considering the uneven thickness of the coupling agent film and the error caused by the thickness of the measured parts, the acoustic time difference optimization algorithm is proposed. In the fifth chapter, based on the principle of residual stress acoustic elasticity testing, the calibration and calibration methods of the testing system are proposed, and the compensation theory and method of residual stress testing are emphatically studied. The theoretical model of the influence of measurement accuracy is proposed, and the temperature compensation algorithm is put forward and tested. The influence of crystal size and shape distribution on the measurement accuracy is studied, and the compensation methods of theoretical calculation and tensile test are put forward. Based on the principle of ultrasonic control of residual stress, three typical materials were used to study the influence of various factors on the stress control of different materials, and the optimal control parameters were obtained. In Chapter 6, the application of residual stress detection and control in aluminum alloy welding and riveting parts, structural steel welding parts and non-metallic parts was studied by using the developed ultrasonic residual stress detection and control system. Process specification and control process specification.
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG115.28

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本文編號(hào)：2231138