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上海市自然科学一等奖项目“机械装备服役损伤的非线性超声导波评价原理和方法”——

给机械装备安上“火眼金睛”

2016年04月19日   04 :专题   稿件来源:解放日报  


    卞 慧
  
  飞机机翼、发电用的汽轮机的叶片等,因为长期使用,往往有不少微小的损伤。如果这些损伤能够在早期就被发现,并依此及时判定关键部件的使用期限,也许,很多类似马航MH370那样的悲剧就可以避免。
  华东理工大学项延训副教授领衔的“机械装备服役损伤的非线性超声导波评价原理和方法”项目,提供了一种全新的检测方法,比超声波更灵敏高效,还能据此判断机械装备的服役状态。

  灵敏高效的检测方法

  B超能够穿透皮肤,“看”到肉眼不可见的病变。为什么机械装备的损伤检测不继续用超声波呢?这就与非线性超声导波的特点有关啦。
  首先是灵敏度。与超声波不同,非线性超声导波发射出去后,会产生高倍频的谐波。分析这些谐波信号,研究者能够发现100微米以下的细小损伤。非线性超声导波可谓明察秋毫。而超声波呢,一般只能发现500微米以上的损伤。在这个级别,检测方法已经较多。
  机械设备在周期性载荷作用(例如机翼的上下振动)或高温高压(例如发动机)环境下服役,蠕变孔洞和微小裂纹这样的早期损伤占其服役寿命的70%~80%以上。一旦发现500微米以上的损伤,短时间内设备就要“报销”。若没有发现,往往造成事故。因此,检测方法的敏感度非常重要。
  其次是高效性。传统超声波以逐点检测方法居多,而非线性超声导波能做到线状检测。相对于一个个的点来构成图像,自然是“一扫一大片”的非线性超声导波效率更高。
  如同对付人类的癌症一样,早发现、早干预能够有效保证机械装备的“生命”安全。在这方面,灵敏高效的非线性超声导波具有强大的优势。

  三大创新推动理论到实践

  非线性超声导波如此“能干”,为什么科学家想不到早点运用它呢?其实,早在上世纪90年代,已经有人开始研究。但是由于导波存在多模式和色散性,科学界长期以来普遍认为它不存在强烈的非线性效应,相关理论体系缺失。
  1996年,课题组成员邓明晰教授就开始了理论探索。他首次从理论上证明超声导波非线性效应的存在,并在实验中观察到了其信号。这就完成了“证明存在”的第一步。
  第二步就是探究非线性超声导波“有什么用”——阐明它如何激发出来、与检测材料的微损伤如何发生作用。2000年后,项延训等开始与邓教授合作。他们针对铝合金、钛合金、奥氏体不锈钢等近10种金属材料做实验,改变发射频率、改装设备……终于发现微观组织演化是非线性导波变化的主导因素,构建了微组织与非线性导波相互作用的理论模型,阐明了两者之间的物理机制。
  第三步是了解“怎么用”。课题组“系统建立了设备服役损伤、超声导波非线性参量、剩余寿命的映射关系”,即能够通过非线性超声导波检测设备的微损伤,推断出设备的服役状态及预测服役寿命。他们不仅构建了评价方法,还成功开发了评价软件,能够实现机械损伤的定性、定量评价。
  他们的这项工作得到了国内外约55个课题组的引用和正面评价,尤其是非线性超声领域,国际上40多个课题组中90%都引用了他们的工作。课题组发表了相关论文79篇,在国际三大应用物理杂志发表的论文数占1999年以来该方向论文总量的70%,他引510次。
  工业装备状态信息实时监测和自适应控制是智能制造的关键环节。该项目团队为我国从工业大国向工业强国转化贡献了自己的力量。

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