【上海科技奖励项目专递】给机械装备安上“火眼金睛” ——记上海市自然科学一等奖项目“机械装备服役损伤的非线性超声导波评价原理和方法”
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。
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。
上海宝钢集团对不同热损伤状态的特种钢进行非线性超声导波的评价
灵敏高效的检测方法
B超能够穿透皮肤，“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。与超声波不同，非线性超声导波发射出去后，会产生高倍频的谐波。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50~100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。
超声导波积累二次谐波的观测实验
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。
如同对付人类的癌症一样，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，课题组成员邓明晰教授就开始了理论探索。他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10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。
不同蠕变损伤程度HP40材料的微观组织演化
第三步是了解“怎么用”。课题组“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，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。
工业装备状态信息实时监测和自适应控制是智能制造的关键环节。该项目团队为我国从工业大国向工业强国迈进贡献了自己的力量。