中文摘要：

旋转轴系中的转子轴是承担功率和扭矩的主要传动部件，早期的微小缺陷和损伤极易累积为转子轴的突然失效，从而引起机器的严重损害和生产事故。因此旋转轴系中转子轴的在线健康监测是安全生产的必要保证。本课题提出以超声导波作为监测手段，研制以超磁致伸缩材料为核心部件，同端激励与接收的超声导波换能器为主要设备，通过数字信号处理方法对转子轴缺陷和损伤的导波信号进行定量化，实现跟随转子轴，导波激励与测量空间分离的在线定量无损监测方法。研究主要针对导波在被测试件中的传播机理、多元条件下换能器的物理与几何参数优化、同端激励与接收导波的机械配置结构、换能器及检测系统多体动力学模型建立与分析、以及超声导波信号与缺陷和损伤之间的定量关系等内容展开研究。研制超声导波换能器、搭建在线健康监测试验台。课题的提出是利用超声导波技术对旋转轴系在位健康检测的有益尝试，为大型运动部件的在线监测提供新的理论基础与方法借鉴。

结论摘要：

转子轴是承担功率和扭矩的主要传动部件，早期的微小缺陷和损伤极易累积为转子轴的突然失效，从而引起机器的严重损害和生产事故。因此旋转轴系中转子轴的在线健康监测是安全生产的必要保证。本文提出以超声导波作为监测手段，研制Galfenol材料为核心部件，同端激励与接收的超声导波换能器为主要设备，实现导波激励与测量空间分离的在线定量无损监测方法。本项目的主要研究成果和结论主要包括 1）研究超声导波在转子轴中的传播机理，建立了圆柱形转子轴波导中超声导波的三维波动模型，并利用Pochhammer-Chree方程求解了频率特征方程，给出了归一化的T，F，L模态的频散曲线。结合模态分析方法，利用matlab对短纯音信号在钢棒中的传播响应进行了数值仿真。 2）提出了一种同端激励与接收的超声导波换能器的结构，对换能器核心材料galfenol的尺寸及各部分结构的主要部件进行了设计与综合。得出了换能器的设计参数并根据相应的实验结果给出了制作方案。 3）研制了一种运用高速单片机控制直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer简称DDS)产生超声导波激励源的信号发生装置。采用DDS芯片和FLASH ROM组合结构产生高速导波激励信号的方法产生激励源信号。详细阐述了电路各部分的设计原则和原理，并对信号发生装置电路进行了仿真。 4）采用多物理场耦合方法，利用多物理场仿真软件Comsol研究Gafenol材料在换能器中的磁机耦合特性。得出了换能器中工作过程中由电场→磁场→galfenol材料机械形变的多物理场转换Joule效应以及Villali效应的仿真曲线。 5）对换超声导波能器做的进行了实验研究，利用实验方法给出了换能器在检验钢棒的有缺陷和无缺陷情况下的激励和检测的波形。项目共发表（含收录）研究论文4篇，其中EI收录2篇， ISTP收录1篇，国际会议2篇，获国家发明专利和实用新型专利各1项。提出的利用以Galfenol为核心材料的同端激励与接收的超声换能器，以及利用超声导波对圆柱形转子轴的缺陷及损伤进行健康监测是是利用超声导波技术对旋转轴系在位健康检测的有益尝试，为大型运动部件的在线监测提供新的理论基础与方法借鉴。