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行業(yè)新聞

上海市自然科學一等獎項目:給機械裝備安上"火眼金睛"

作者: 來源:解放日報
時間:2016-04-19

   東方網(wǎng)419日消息:飛機機翼、發(fā)電用的汽輪機的葉片等,因為長期使用,往往有不少微小的損傷。如果這些損傷能夠在早期就被發(fā)現(xiàn),并依此及時判定關鍵部件的使用期限,也許,很多類似馬航MH370那樣的悲劇就可以避免。

  華東理工大學項延訓副教授領銜的“機械裝備服役損傷的非線性超聲導波評價原理和方法”項目,提供了一種全新的檢測方法,比超聲波更靈敏高效,還能據(jù)此判斷機械裝備的服役狀態(tài)。

  靈敏高效的檢測方法

  B超能夠穿透皮膚,“看”到肉眼不可見的病變。為什么機械裝備的損傷檢測不繼續(xù)用超聲波呢?這就與非線性超聲導波的特點有關啦。

  首先是靈敏度。與超聲波不同,非線性超聲導波發(fā)射出去后,會產(chǎn)生高倍頻的諧波。分析這些諧波信號,研究者能夠發(fā)現(xiàn)100微米以下的細小損傷。非線性超聲導波可謂明察秋毫。而超聲波呢,一般只能發(fā)現(xiàn)500微米以上的損傷。在這個級別,檢測方法已經(jīng)較多。

  機械設備在周期性載荷作用(例如機翼的上下振動)或高溫高壓(例如發(fā)動機)環(huán)境下服役,蠕變孔洞和微小裂紋這樣的早期損傷占其服役壽命的70%~80%以上。一旦發(fā)現(xiàn)500微米以上的損傷,短時間內(nèi)設備就要“報銷”。若沒有發(fā)現(xiàn),往往造成事故。因此,檢測方法的敏感度非常重要。

  其次是高效性。傳統(tǒng)超聲波以逐點檢測方法居多,而非線性超聲導波能做到線狀檢測。相對于一個個的點來構成圖像,自然是“一掃一大片”的非線性超聲導波效率更高。

  如同對付人類的癌癥一樣,早發(fā)現(xiàn)、早干預能夠有效保證機械裝備的“生命”安全。在這方面,靈敏高效的非線性超聲導波具有強大的優(yōu)勢。

  三大創(chuàng)新推動理論到實踐

  非線性超聲導波如此“能干”,為什么科學家想不到早點運用它呢?其實,早在上世紀90年代,已經(jīng)有人開始研究。但是由于導波存在多模式和色散性,科學界長期以來普遍認為它不存在強烈的非線性效應,相關理論體系缺失。

  1996年,課題組成員鄧明晰教授就開始了理論探索。他首次從理論上證明超聲導波非線性效應的存在,并在實驗中觀察到了其信號。這就完成了“證明存在”的第一步。

  第二步就是探究非線性超聲導波“有什么用”——闡明它如何激發(fā)出來、與檢測材料的微損傷如何發(fā)生作用。2000年后,項延訓等開始與鄧教授合作。他們針對鋁合金、鈦合金、奧氏體不銹鋼等近10種金屬材料做實驗,改變發(fā)射頻率、改裝設備……終于發(fā)現(xiàn)微觀組織演化是非線性導波變化的主導因素,構建了微組織與非線性導波相互作用的理論模型,闡明了兩者之間的物理機制。

  第三步是了解“怎么用”。課題組“系統(tǒng)建立了設備服役損傷、超聲導波非線性參量、剩余壽命的映射關系”,即能夠通過非線性超聲導波檢測設備的微損傷,推斷出設備的服役狀態(tài)及預測服役壽命。他們不僅構建了評價方法,還成功開發(fā)了評價軟件,能夠?qū)崿F(xiàn)機械損傷的定性、定量評價。

  他們的這項工作得到了國內(nèi)外約55個課題組的引用和正面評價,尤其是非線性超聲領域,國際上40多個課題組中90%都引用了他們的工作。課題組發(fā)表了相關論文79篇,在國際三大應用物理雜志發(fā)表的論文數(shù)占1999年以來該方向論文總量的70%,他引510次。

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來源:解放日報

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