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作为常用的压力容器用钢,16MnR钢承受着易燃易爆或腐蚀性物质的高压力,而且常在复杂载荷和极端环境下工作,极易引起疲劳裂纹的萌生和扩展,进而导致材料失效。随着工业对压力容器安全性和经济性的要求日益提高,对16MnR钢的裂纹扩展规律和状态监测进行研究成为必要。目前,裂纹扩展速率曲线仍主要通过实验测定,耗时较长且价格昂贵,对16MnR裂纹扩展进行有限元仿真研究可为精确模拟提供参考;同时基于声发射检测的裂纹状态识别至今仍以参数分析为主,数据量少且分析能力有限,波形分析由于能够深度挖掘声发射源的信息日益受到重视,但其对噪声敏感的特性使得精确提取特征及建立裂纹状态识别模型成为研究难点。本文首先对16MnR钢的紧凑拉伸试样开展了I型恒幅加载的多组裂纹扩展对照实验,探讨了试样的厚度、应力比和缺口半径三个因素对Paris公式的影响并根据试样断口的电镜扫描结果对裂纹扩展形貌进行分析;然后进行裂纹扩展的有限元仿真,包括应力强度因子仿真和裂纹扩展速率仿真,采用位移外插法、J积分和相互积分法对应力强度因子仿真,综合分析三种方法的优劣,研究了裂尖奇异单元对仿真精度和效率的影响,采用Jiang疲劳损伤模型和XFEM理论对裂纹扩展速率进行仿真,讨论两种方法的优劣;接着开发了一套基于FPGA控制、SDRAM缓存和USB2.0高速率传输的简易声发射监测系统,完成了高速模数转换电路设计、FPGA时序逻辑控制和USB2.0数据传输的软件设计,借助Modelsim对软件仿真并对硬件进行调试和误差分析。最后开展声发射信号采集实验,分析比较了LMS自适应滤波、EMD去噪和小波阈值去噪算法,选择最优去噪方法进行声发射信号去噪,采用单子带重构算法提取声发射信号特征向量,利用支持向量机算法完成对裂纹扩展状态的模式识别,并开发了裂纹扩展模式识别软件,提高了计算效率和简化模式识别流程。通过实验测定了16MnR钢的Paris公式的参数用以验证后续仿真结果,仿真分析表明相互积分法适合对应力强度因子进行仿真,XFEM适合对裂纹扩展速率进行仿真,改进小波阈值去噪算法适合声发射信号降噪,基于声发射信号的裂纹扩展状态分类准确率为95.3%,建立的状态识别模型可应用于裂纹扩展状态的预测与分类,上述研究为提升工程结构安全提供了理论依据。