基于维德曼效应激励SH波的磁致伸缩换能器的研究

作     者：郭新峰 

作者单位：大连交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王晓煜

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：磁致伸缩材料 维德曼效应 水平剪切波 换能器 无损检测 

摘      要：现阶段的超声导波无损检测大都以Lamb波为主,但Lamb波在传播过程的频散特性和模态转换特性使回波信号的成分更加复杂,提高了数据处理的难度。而低模态的水平剪切波(SH波)由于在传播过程中没有频散特性和模态转换特性,在超声导波无损检测领域表现出巨大的优越性。本课题基于磁致伸缩材料的维德曼效应提出一种激励SH波的换能器模型,应用磁致伸缩材料在适当磁场的作用下发生扭转形变的特性,以磁致伸缩材料为核心元件,向被测板材中激励多方向性的SH波。本文阐述了板中Lamb波和SH波的激励条件和传播特性,说明了磁致伸缩材料的基本特性,尤其是维德曼效应和麦修茨效应的基本原理,对新型磁致伸缩换能器的磁路进行了设计,分析了该换能器激励和接收SH波的工作原理。以一维坐标系的焦耳效应本构方程为基础,在二维坐标系中推导维德曼效应的本构方程,进而计算出表述该新型换能器本构模型的波动方程。用有限元分析的方法对换能器激励SH波的工作过程进行仿真,优化换能器的结构参数,验证该换能器正常工作的可行性。加工制作换能器的实体模型,提出实验目的和实验流程,选择实验仪器并搭建实验台,通过对采集处理过的实验数据进行分析,判断换能器接收到的超声导波的模态,确定该换能器能否成功激励和接收SHO波。通过本课题的研究,计算推导出了磁致伸缩材料维德曼效应的基本原理和本构方程,初步证明了新型换能器实现工作要求的可行性,并通过有限元仿真和实验研究验证了本课题提出的新型换能器确实能够有效激励并接收SHO波。