[发明专利]残余应力作用下的应力腐蚀裂纹多频涡流定量评价方法

摘要

本发明公开了残余应力作用下的应力腐蚀裂纹多频涡流定量评价方法，首先采用直流电位检测和涡流检测方法建立残余应力与材料电导率、磁导率的对应关系，然后利用多频涡流检测方法测取应力腐蚀裂纹周围各个选定测试点处的残余应力值，并明确不同裂纹尺寸的应力腐蚀裂纹附近区域残余应力分布规律，最后采用反问题研究策略，将多频涡流检测实验数据作为目标信号，考虑裂纹附近残余应力分布对材料电导率、磁导率的影响，实现对应力腐蚀裂纹尺寸的定量无损评价；本发明方法可以对残余应力作用下的应力腐蚀裂纹进行准确有效的定量评估，具有操作简单，易实现，数据量小的优点，可以广泛应用于实际工程结构部件真实状态下应力腐蚀裂纹尺寸的定量无损评价，具有较大的工程应用价值。

主权项

1.残余应力作用下的应力腐蚀裂纹多频涡流定量评价方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：建立应力与材料电导率、磁导率的对应关系，具体为：1)设计加工多个不锈钢标准拉伸试件，对各个不锈钢标准拉伸试件施加不同的载荷使试件处于不同应力水平，利用涡流检测探头对处于不同应力水平的不锈钢标准拉伸试件进行直流电位检测和多频涡流检测，获取直流电位检测和多频涡流检测实验数据；2)分析步骤1)中获取的直流电位检测实验数据，通过公式(1)计算得到处于不同应力水平的各个不锈钢标准拉伸试件的电导率，进而建立应力大小与材料电导率的对应关系，式中：σ为不锈钢标准拉伸试件的电导率，I为加载直流电流值，s为测取电位差的两探针之间的距离，U为数据采集装置采集的两探针之间的电位差，w、d分别为不锈钢标准拉伸试件在电位差测量区域处的宽度和厚度；3)步骤1)中获取的多频涡流检测实验数据与材料的电导率和磁导率都有关，其中电导率由步骤2)中给定的方法进行测量，磁导率基于多频涡流检测实验数据采用最速下降法反演得到，即对不同应力水平下不锈钢标准拉伸试件各个频率对应的磁导率进行反演计算，然后求取平均值作为最终该应力水平情况下不锈钢标准拉伸试件的磁导率，进而建立应力大小与材料磁导率的对应关系；步骤2：明确不同尺寸应力腐蚀裂纹附近残余应力的分布规律，具体步骤如下：1)利用步骤1的步骤1)中获取的不同应力水平下不锈钢标准拉伸试件多频涡流检测数据，分析获得多个频率涡流检测阻抗与应力值的对应关系；2)加工应力腐蚀裂纹不锈钢平板待测试件，测量应力腐蚀裂纹远场处的残余应力值，即在应力腐蚀裂纹四周位置选取一条将应力腐蚀裂纹包围在内的封闭曲线，在该封闭曲线上选取一系列残余应力测试点，且保证各残余应力测试点到应力腐蚀裂纹的最短距离相等，采用与步骤1的步骤1)中多频涡流检测相同的实验条件对每个残余应力测试点分别进行多频涡流检测，获取每个残余应力测试点在多个激励频率下的涡流检测实验数据，通过步骤2的步骤1)中获得的多个频率涡流检测实验数据与应力值的对应关系测取每个激励频率情况下各个残余应力测试点的残余应力值，然后求取各个激励频率情况测取的残余应力值的平均值，作为该残余应力测试点处的残余应力值；3)利用有限元软件，将步骤2的步骤2)中获得的各残余应力测试点的残余应力值作为边界条件，建立不同长度、深度的应力腐蚀裂纹数值计算模型，计算获取不同尺寸应力腐蚀裂纹附近的残余应力分布，进一步分析获得应力腐蚀裂纹尺寸与残余应力分布之间的函数关系；步骤3：考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹涡流定量无损评价方法，具体步骤如下：1)对步骤2的步骤2)中加工的应力腐蚀裂纹不锈钢平板待测试件进行多频涡流扫描检测实验，获取应力腐蚀裂纹及其周围区域的多频涡流检测实验数据；2)给定应力腐蚀裂纹尺寸，通过步骤2的步骤3)中获得的应力腐蚀裂纹尺寸与残余应力分布之间的函数关系求取该给定裂纹尺寸情况下应力腐蚀裂纹附近残余应力的分布，然后利用步骤1的步骤2)中获得的应力大小与材料电导率的对应关系和步骤1的步骤3)中获得的应力大小与材料磁导率的对应关系，确定应力腐蚀裂纹附近残余应力的分布对应的材料电导率、磁导率的分布，考虑该材料电导率、磁导率分布，建立应力腐蚀裂纹数值计算模型，利用电磁场A‑φ方法，选取步骤3的步骤1)中多频涡流检测实验时的一个激励频率，通过公式(2)计算得到该激励频率的涡流检测信号ΔZ，式中N为线圈匝数，对应导体区域由于裂纹所产生的扰动矢量，I₀为线圈匝数，ω为正弦激励信号的角频率；3)对考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹涡流定量无损评价转化为优化问题，寻找特定的应力腐蚀裂纹尺寸参数向量c，使目标函数(3)取最小值，式中M为检测点个数，c为应力腐蚀裂纹尺寸参数向量，Z_m(c)为对应于应力腐蚀裂纹尺寸参数向量c的计算信号，为步骤3的步骤1)中检测实验获取的涡流检测实验数据，为解决此优化问题，采用基于共轭梯度法对应力腐蚀裂纹尺寸进行重构，其迭代公式为c_k＝c_k‑1+λ_kP_k，其中c_k、c_k‑1分别为第k、k‑1迭代步c的值，λ_k为第k步的迭代步长，P_k为第k步的搜索方向，利用这个迭代公式实现选定激励频率情况下应力腐蚀裂纹尺寸的重构；4)重复步骤3的步骤2)和步骤3)，实现对步骤3的步骤1)中多频涡流检测实验时的其他激励频率情况下应力腐蚀裂纹尺寸的重构；5)将步骤3的步骤3)和步骤4)中多个频率下重构获得的应力腐蚀裂纹尺寸求取平均值，即为最终考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹尺寸定量无损评价结果。