涡流脉冲热成像定量评估金属构件疲劳损伤及健康状态研究

In the transport, aerospace, nuclear energy and power generation fields, many safety-critical components are working in extreme environments. The extension in the lifetime of equipment raises an urgent demand for health monitoring and fatigue life prediction. Conventional nondestructive testing (NDT) methods cannot be used to detect residual stress and hidden fatigue damage. This proposal aims to meet these needs through theoretical and experimental work with the following objectives: 1) Develop a new NDT inspection system using Eddy Current Pulsed Thermography (ECPT)for bulk nondetructive evaluation (NDE) and a Magneto-Optical Kerr (MOKE) microscopy for microstructure observation； 2) Build multi-parameter presentation for PEC theromography and map them with electromagnetic and thermal properties (e.g. electrical/thermal conductivity and magnetic permeability) in conjunction with simulation; 3) Develop a fatigue and stress state monitoring model for mechanical fatigue and electromagnetic induced fatigue using multi-parameter PEC based thermography; 4) Undertake experimental studies on different representative ferrite materials used in energy, high-speed railways, oil & gas pipe and nuclears plants; 5) Build international research link and research training in bridging the research gaps of bulk NDE inspection of components with high spatial resolution and increased sensitivity for microstructure, creep and fatigue damage through cross discipline research and dissemination.

在交通、航空航天、核能、电力等领域，研究恶劣环境下关键构件的服役性能、寿命预估及失效机理对提高设备可靠性具有重大的意义。传统检测方法无法定量检测构件残余应力和尚未形成微裂纹的隐性缺陷，本项目理论与实验研究相结合，（1）研制涡流脉冲热成像与磁光克尔显微镜试验平台；（2）通过理论与仿真相结合的方法, 运用不同电磁特性标准件，提取分离脉冲涡流热成像响应中电磁热特性参数；（3）通过疲劳试验，利用宏观及微观观察，建立电磁热宏观参数与微观结构的映射关系，并建立描述疲劳行为多参数特征描述模型；（4）建立关键金属构件的疲劳缺陷监测和寿命预估模型；（5）开展国际合作及人才培养。本项目旨在研究基于脉冲涡流热成像的疲劳缺陷定量检测与寿命预估方法，以铁磁材料为检测对象，其成果不仅可用于高速铁路的滚动接触疲劳及热应力、核电设备蠕变损伤、电力设备电磁冲击疲劳等的监测评估，也可为非磁性金属材料及复合材料的检测提供借鉴。

在交通、航空航天、核能、电力等领域，研究恶劣环境下关键构件的服役性能、寿命预估失效机理对提高设备可靠性具有重大的意义。传统检测方法无法定量检测构件残余应力和尚未形成微裂纹的隐性缺陷，本项目理论与实验研究相结合，（1）研制涡流脉冲热成像与磁光克尔显微镜试验平台；（2）通过理论与仿真相结合的方法, 运用不同电磁特性标准件，提取分离脉冲涡流热成像响应中电磁热特性参数；（3）通过疲劳试验，利用宏观及微观观察，建立电磁热宏观参数与微观结构的映射关系，并建立描述疲劳行为多参数特征描述模型；（4）建立关键金属构件的疲劳缺陷监测和寿命预估模型；（5）开展国际合作及人才培养。重要成果包括：研制了不同激励结构的ECPT电磁热成像裂纹检测系统和实验验证.完成了磁轭共生新传感电磁热成像检测的设计系统开发; 将磁光克尔系统与磁光薄膜（MOIF）以及巴克豪森（MBN）相结合，提升了对磁畴结构的观测, 完成了微观参数和宏观结构以及疲劳健康状态的表征研究；针对宏观裂纹形成前微观应力和疲劳评估世界难题，拓展ECPT空间-时频矩阵分解到多维空间-时序-状态张量模型，建立状态模式成分与疲劳程度映射模型，实现齿轮疲劳微损伤定位和评估，并结合常规应力检测方法MBN完成了评估验证；结合稀疏盲分离特征，提出基于遗传算法自适应图像直方图分割方法，解决了裂纹精确自动量化问题；为了消除表面热发射率不均匀对ECPT红外热成像裂纹检测的影响，在分析表面热发射率和反射率的关系基础上，研究了红外与光学成像的谱相关性，提出了基于谱相关的红外与光学图像融合热发射率校正方法；提出了多参数融合和多物理测量和集成, 包括视觉，红外检测和速度感应涡流的测量融合；提出了电磁热特性参数分布与微观结构变化映射关系建模，对微观结构特征参数对材料疲、应力、损伤等进行定量评估，建立了应力和磁畴运动速度之间的关系。科学与应用意义 ：研究成果针对导体构件裂纹电磁热多物理场表征对关键设备的服役性能、失效机理和 演化规律、全寿命安全评定等方面进行研究具有重要的现实意义，对多物理场融合的深入挖掘和传感信号的非监督解析有好的理论价值。对进一步将电磁热成像，磁光宏观-微观评估系统推广，实现智能化、自动化、可评估预测和图像化、定量无损评估、结构完整性管理有很好的应用价值 。

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