基于微观损伤机理的管节点疲劳裂纹声发射健康监测

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海洋平台作为一种海上油气资源勘探开发的大型空间桁架结构,长期工作在极端恶劣的海洋环境中。几十年来,由于平台结构的损伤断裂,造成了许多的灾难性事故。大量的事故原因调查发现,疲劳累积损伤是导致结构失效的最大因素,但是疲劳损伤演化的物理机制十分复杂,至今尚有许多的基本问题没有得到解决,也未形成统一的理论。探求海洋环境下,海洋结构物的疲劳损伤规律,有效地监测海洋平台的损伤累积过程,及时发现问题,对设备进行维修加固,延长设备的使用寿命,避免灾难的发生是十分有必要的。
　　K型管节点是海洋平台的关键部位,同时也是最薄弱的环节,平台结构失效的重要因素是管节点的变形以及损伤裂纹的扩展。本文首先将断裂力学与损伤热力学概念引入管节点疲劳损伤演化机理的研究中,在微观尺度下,从结构物的点缺陷、位错缺陷两个方面,共同揭示疲劳损伤演化的微观机制和疲劳损伤演化的规律:如果在整个晶体中,受到连续作用的载荷,内部的原子受到热扰动而发生逃逸,产生空位;裂纹尖端同时会释放出大量位错,诸位错和空位化学势发生变化,那么,将会在位错之间,以及向材料表面引起点缺陷扩散流,从而引起材料发生疲劳断裂。
　　其次,在理论研究的基础上,从实验的角度,利用声发射检测技术对K型管节点试件的疲劳裂纹扩展过程进行了监测。首先对声发射技术的基本概念进行了简单的介绍,阐明声发射技术的监测原理。从断裂力学的角度,结合位错产生机制,分析疲劳损伤裂纹在萌生和扩展的过程中,声发射信号产生的机理,总结常用的信号特征分析方法,模拟K型管节在外加载荷作用下的断裂,利用PXWAE全波形声发射信号采集系统监测整个断裂过程中疲劳裂纹的发展状况,提取疲劳裂纹各个阶段产生的声发射信号,为后续的信号分析处理做准备。
　　最后,基于总体经验模态分解技术以及希尔伯特黄变换理论,实现对疲劳裂纹声发射信号的分解和重构,克服原有经验模态分解技术模态混叠的现象,从而揭示裂纹发展各阶段声发射信号时频特征,构建希尔伯特边际谱和能量谱,从而探讨疲劳裂纹扩展的能量变化特征。
　　本文的研究成果进一步丰富了疲劳损伤理论,从宏观和微观两个角度解释了材料为什么会在远低于疲劳极限的情况下发生疲劳破坏,验证了理论模型的有效性和正确性,为实际的工程应用提供了理论基础。利用声发射技术监测海洋平台管节点疲劳裂纹的发展过程,提高监测过程的实时性、经济性和安全性。

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作者
陈敏;
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作者单位

中国海洋大学;

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授予单位中国海洋大学;
学科机械电子工程
授予学位硕士
导师姓名刘贵杰;
年度 2014
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 U674.381;TP274.53;
关键词
K型管节点; 信号处理; 微观损伤机理; 疲劳裂纹; 声发射; 健康监测;

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