《上海科技报》：给机械装备安上“火眼金睛” 记华东理工“机械装备服役损伤的非线性超声导波评价原理和方法”项目

人们常说的“铁板一块”真是铁板一块、没有漏洞吗？非也。飞机机翼、发电用的汽轮机的叶片等，因为长期使用，往往有不少微小的损伤。如果这些损伤能够在早期就被发现，并依此及时判定关键部件的使用期限，也许，很多类似马航MH370那样的悲剧就可以避免。

工程师们曾用超声波来检测机械装备的服役损伤。现在，华东理工大学项延训副教授领衔的“机械装备服役损伤的非线性超声导波评价原理和方法”项目，提供了一种全新的检测方法，比超声波更灵敏高效，还能据此判断机械装备的服役状态。该项目目前获得了此次上海市自然科学一等奖。

灵敏高效的检测方法

人们体检常用的超声波，能够穿透皮肤，“看”到肉眼不可见的病变。为什么机械装备的损伤检测不继续用超声波呢？这就与非线性超声导波的特点有关啦。

首先是灵敏度。超声波检测靠的是发射出声波，再接收反射回来的声波，根据仪器显示出来的图像判断物体的状况。非线性超声导波虽然一样有发射、接收的程序，但发射出去后，会在机械装备中产生高倍频的谐波。分析这些谐波信号，研究者能够发现100微米以下的细小损伤。要知道，头发丝的直径就是50微米－100微米。非线性超声导波可谓明察秋毫。而超声波呢，一般只能发现500微米以上的损伤。在这个级别，检测方法已经较多。

最关键的是，机械设备在周期性载荷作用（例如机翼的上下振动）或高温高压（例如发动机）环境下服役，蠕变孔洞和微小裂纹这样的早期损伤占其服役寿命的70%－80%以上。一旦发现500微米以上的损伤，短时间内设备就要“报销”。若没有发现，往往造成事故。因此，检测方法的敏感度非常重要。

其次是高效性。传统超声波以逐点检测方法居多，而非线性超声导波能做到线状检测。相对于一个个的点来构成图像，自然是“一扫一大片”的非线性超声导波效率更高。

如同人类的癌症一样，早发现、早干预能够有效保证机械装备的“生命”安全。在这方面，灵敏高效的非线性超声导波具有强大的优势。

三大创新推动理论到实践

非线性超声导波如此“能干”，为什么科学家想不到早点运用它呢？其实，早在上世纪90年代，已经有人开始研究。但是由于导波存在多模式和色散性，科学界长期以来普遍认为它不存在强烈的非线性效应，相关理论体系缺失。

1996年，研究团队中的邓明晰教授就开始了理论探索。经过长期的公式推导、计算，建立了超声导波非线性效应的解析理论，首次从理论上证明超声导波非线性效应的存在，并在实验中观察到了其信号。这就完成了“证明存在”的第一步。

第二步就是探究非线性超声导波“有什么用”——阐明它如何激发出来、与检测材料的微损伤如何发生作用。2000年后，项延训等开始与邓教授合作。他们针对铝合金、钛合金、奥氏体不锈钢等近十种金属材料做实验，改变发射频率、改装设备……终于发现微观组织演化是非线性导波变化的主导因素，构建了微组织与非线性导波相互作用的理论模型，阐明了两者之间的物理机制。

第三步是了解“怎么用”。项延训的团队“系统建立了设备服役损伤、超声导波非线性参量、剩余寿命的映射关系”，即能够通过非线性超声导波检测设备的微损伤，从而推断出设备的服役状态及预测服役寿命。在这一步中，他们不仅构建了评价方法，还成功开发了评价软件，能够实现机械损伤的定性、定量评价。

他们的这项工作得到了国内外约55个课题组的引用和正面评价，尤其是非线性超声领域，国际上40多个课题组中90%都引用了他们的工作。课题组发表了相关论文79篇，在国际三大应用物理杂志发表的论文数占1999年以来该方向论文总量的70%，他引510次。上海市启明星跟踪项目的专家评价这项工作：“提出采用非线性导波评价核压力容器服役损伤状态的新思路，为结构早期损伤评价提供了新工具”。

目前，研究团队已经与江苏、宁波等特种设备检验检疫研究院开展合作研究，以获得更多在役设备的跟踪测量数据。项延训介绍说，课题组正在建立不同材料机械服役损伤的样本数据库，希望建立标准化的测量模式，以实现更方便的检测和评价。今后，团队还将探索耐高温、非接触、在役（被检装备不停机）条件下的测量方法。

推动中国装备制造升级，必须要抓住智能制造这个核心。2015年国务院发布的《中国制造2025》中，提到推进制造过程智能化，变工业大国为工业强国。工业装备状态信息实时监测和自适应控制正是智能制造的关键环节。“机械装备服役损伤的非线性超声导波评价原理和方法”项目团队为此贡献了自己的力量。

《上海科技报》 B2版