阵列超声在涂层结构中各向异性传播机理及应力场分布监测方法

Recently, detecting and evaluating the internal stress field in the coating structure is the key technology to support the high efficiency and safety serving of the coating components. Since detecting the internal stress field is a challenge in non-destructive testing, an on-line monitoring and prediction method for internal stress distribution in coating structure with the array ultrasonic is proposed. Based on the acoustic elasticity theory, the transmission model of the ultrasonic signal in the coating area is established, and the anisotropic transmission mechanism and the method to measure the acoustic elastic coefficient are analyzed. Informed by phased array theory, the coupling and focusing procedure of multi- ultrasonic signal is studied. After analyzed the characteristic parameters of the ultrasonic signal in local stress field with wavelet analyze method, the inversion model of the internal stress distribution in coating structure with multi- ultrasonic signal is proposed. With investigating the existing design of phased array, the mapping relationship between the configuration parameters of array ultrasonic and the stress-ultrasonic signals is given, and the design method for detecting the internal stress distribution with array ultrasound is presented. Finally, the prototype system for on-line monitoring and predicting the internal stress distribution in the typical coating spindle parts is given, and the bench testing and industrial applications are carried to modify this proposed on-line monitoring model and predicting method and validate the effectiveness and practicality.

涂层结构内部应力场检测及评估是保证增材制造内涂层零部件高效与安全服役过程的核心技术。针对现有涂层结构内部应力场检测的难点，提出一种阵列超声下涂层结构内应力分布在线监测及预测方法。基于声弹性理论建立涂层材料内超声信号传播过程模型，分析其各向异性传播机理及声弹性系数确定方法。引用相控阵理论分析多源超声信号耦合及聚焦过程，结合小波包等分析方法提取局部应力下超声信号特征参量，构建多源超声下涂层结构内应力分布反演模型。基于现有相控阵构型，构建阵列超声设计参数与应力-超声信号映射关系，提出基于应力场下超声信号特征的超声阵列分布设计方法。最后，针对典型轴类零件，研发阵列超声下轴类涂层零件内应力分布在线监测及预测原型系统，通过对该原型系统实验和工程应用完善所提出的应力监测模型及服役性能预测方法，并验证其有效性和实用性。

针对现有涂层结构内部应力场检测及评估难点，本项目严格按照任务书计划执行，提出了阵列超声下涂层结构内应力分布检测及监测方法。首先，针对超声各向异性传播特性，通过构建涂层结构的声弹性模型，分析了传播方向-应力敏感程度，研究了超声传播与应力方向呈现变化角度的关联机制，结合声传播规律与莫尔圆分解法，分析了不同材料中超声各向异性传播机理，建立了超声在应力状态下的涂层结构中多角度传播过程模型。其次，针对涂层结构中材料分布状态的不确定性，结合涂层结构中不同区域的成形过程，表征了涂层-结合-基材区域的材料分布状态，基于不同材料及应力分布下超声传播及信号特征，分析了结合区域材料状态对其声弹性特性的影响规律，提出了基于结合区域的涂层结构声弹性特征表达。再次，针对多源超声下涂层结构应力场反演及精确度，基于超声在应力状态下的涂层结构中多角度传播过程模型，构建了应力场下机械零件内部缺陷超声检测误差修正模型，分析了均匀/不均匀应力场下超声传播信号特征，建立了涂层结构中均匀/不均匀应力场反演模型，利用阵列超声聚焦特性，提出了多源超声下涂层结构应力状态检测方法。最后，在应力加载实验平台基础上，参照相关标准，搭建了阵列超声检测及信号处理系统，并结合已有轴类零件服役加载实验台架，设计并搭建了轴类零件内应力分布在线监测装置，用于上述理论模型及检测方法完善，以及轴类零件应力在线监测技术验证。此外，项目组利用所构建的涂层结构中超声传播过程模型，在多层复合结构（锂电池）中开展了结构变化及应力状态检测的拓展应用，提取了电池结构状态变化下超声信号特征，提出了电池荷电状态的超声检测方法。项目组已发表及录用学术论文10篇，申请发明专利8项，已授权5项，已培养研究生8名，部分成果已在维修再制造企业涂层零件检测中进行了工程应用，为涂层结构质量检测及状态监测领域提供了理论模型与方法技术支撑。