活动缺陷检测监测方法及物理机制研究

主要研究材料内部应力、疲劳所造成的活动缺陷（包括疲劳裂纹、蠕变等）对铁磁性材料的微观作用机制，这种作用表现为材料宏观磁特性的变化，进而在材料表面产生漏磁场，建立活动缺陷－漏磁场关系模型，通过分析材料表面漏磁场特征可判断是否存在活动缺陷、确定材料的疲劳状态和剩余寿命，同常规漏磁检测相比，无需外界人工磁化场，避免了漏磁检测的缺点，同时，也避免了磁记忆检测只能定性判断应力集中位置，而无法发现工程中有重要意义的疲劳裂纹和无法判断材料疲劳状态的问题。活动缺陷检测是一种全新的检测概念，用于检测和监测在役设备在使用过程中产生并在使用过程中继续扩展的危险性缺陷，拓展了无损检测的内涵，使漏磁场检测从单纯的缺陷检测向早期状态诊断方向发展，在压力容器、石油、铁路、化工、电力、矿山等行业有迫切的需求和广阔的应用前景。 2100433B

高速铁路的舒适性和安全性很大程度上取决于路基的平顺度和稳定性，而钢筋混凝土路基是一种非均匀的缺陷材料结构，在外界扰动下，隐性缺陷逐渐转变为显性缺陷，缺陷扩展到一定程度将影响高速铁路安全运行。目前还没有现实可行的在役高速铁路路基缺陷检测监测方法。本项目拟采用试验、理论分析和数值模拟计算相结合的手段，通过对含缺陷混凝土的起裂机理、扩展准则以及裂缝结构的稳定扩展判据进行深入的系统研究，探索裂纹起裂时的力电磁效应，裂纹稳定到非稳定扩展瞬态的力电磁效应，以及断裂全过程的跨尺度计算模型；发展针对缺陷混凝土结构非接触动态监测理论，并形成一套基于结构内部缺陷扩展稳定识别的整体安全稳定评价准则；研制高信噪比和可靠性的高速铁路混凝土路基活动缺陷检测监测仪器。本研究属交叉学科，研究成果对于促进我国高速铁路路基安全监测、混凝土力学学科的发展具有重要的科学和工程意义。

高速铁路的舒适性和安全性很大程度上取决于路基的平顺度和稳定性，而钢筋混凝土路基是一种非均匀的缺陷材料结构，在外界扰动下，隐形缺陷逐渐转变为显性缺陷，缺陷扩展到一定程度将影响高速铁路的安全运行。目前还没有现实可行的在役高速铁路路基缺陷检测监测方法。本项目通过试验、理论分析和数值模拟计算相结合的手段，对含缺陷混凝土的起裂机理、扩展准则以及裂缝结构的稳定扩展判据进行深入的系统研究，探索裂纹起裂时的力电磁效应，裂纹稳定到非稳定扩展瞬态的力电磁效应，以及断裂全过程的跨尺度计算模型，发展针对缺陷混凝土结构非接触动态监测理论，并形成一套基于结构内部缺陷扩展稳定识别的整体安全稳定评价准则。研制高信噪比和可靠性的高速铁路混凝土路基活动缺陷检测监测仪器。 通过深入的理论分析，提出了应力激发电偶极子模型。此模型进一步阐释了缺陷扩展过程中应力变化与电磁辐射之间的联系，推导出了混凝土材料的力学属性与电磁辐射的电场强度、磁场强度以及辐射频率之间的关系，为后期处理电磁辐射信号提供了理论支持。应力激发电偶极子模型是基于断裂力学和电动力学理论建立的，该模型将裂纹尖端处所受的应力变化情况与电磁辐射的频率和幅值有效的联系起来，推导出了裂纹尖端应力的变化是导致电磁辐射的最主要原因，且电磁辐射的能量来自于裂纹尖端应力变化产生的应变能。其次，通过分析裂纹尖端的位移场，建立了破裂过程的力电耦合模型，该模型将裂纹尖端的张开位移量与电磁辐射的幅值建立了联系，进而得出了通过电磁辐射的幅值大小判断破裂情况的评估方法。最后，采用实验研究的方法，通过在电磁屏蔽箱中的自膨胀破裂实验，得到了无外界电磁波信号干扰的混凝土破裂过程中产生的电磁辐射信号。基于应力激发电偶极子模型和力电耦合模型对所测得信号的分析，可初步判断混凝土试样的裂纹产生和扩展的情况。解决了如何判断电磁辐射信号与混凝土开裂扩展过程之间的关系问题。 本研究属于交叉学科，研究成果对于促进我国高速铁路路基安全监测，混凝土力学学科的发展具有重要的科学和工程意义。 2100433B

《土石坝水力劈裂的物理机制及数值仿真》，本书在前人研究成果的基础上，深入地分析了水力劈裂发生的物理机制，研究了压实黏土的拉伸应力应变特性及断裂机理，提出和建立了描述水力劈裂发生和扩展过程的数值仿真方法，从而将以往针对一点的土石坝水力劈裂判别方法发展为针对整体结构安全性的评价方法。2100433B