基于非线性超声导波层析成像技术的表面微裂纹检测方法研究

作     者：许亚茹 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李卫彬

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：表面裂纹 层析成像 超声导波 非线性 

摘      要：金属及非金属构件在加工及使用过程中,载荷、环境等外部因素的作用会使构件产生各种微观或者宏观的损伤,其中裂纹是最为典型也是极易发生的一种失效形式。由于裂纹导致的构件断裂失效是一个渐进的过程,最开始生成的微裂纹在外界载荷、温度等因素的影响下会逐渐扩展生成宏观裂纹,对构件的可靠性能产生非常严重的影响。在固体介质中传播的超声波会与介质发生相互作用,超声检测就是利用这种相互作用导致的声学响应来表征被测材料缺陷或者性能退化的一种无损检测技术,适用于各种金属和非金属材料的检测。与传统线性超声技术相对的非线性超声检测方法利用高阶谐波、次谐波等的产生能够实现对微米级甚至纳米级缺陷的检测,因此非线性超声技术对于微观缺陷的检测或材料早期性能退化的评估具备非常明显的优势。本文主要的研究内容是将非线性超声导波检测技术与层析成像方法相结合,用于材料表面微裂纹缺陷的定量评估。首先以1060铝合金板为研究对象,在试件表面引入裂纹缺陷,分别用传统超声检测技术、二阶谐波法以及非线性超声相反转技术对试件进行检测,结合层析成像算法,对试件检测区域进行了反演成像。通过对比成像结果可以发现对于传统的导波层析成像无法解决的物体表面微观裂纹的检测,基于谐波法和非线性超声相反转技术的导波层析成像方法可以起到很好的作用,成像结果与实际缺陷对比时在裂纹尺寸、位置和形状方面存在很好的一致性。接着以高聚物粘结炸药（PBX）材料为研究对象,基于含能材料线性及非线性声学响应机理,将超声导波与层析成像技术相结合的方法应用于PBX的表面裂纹的定量评估。分别在PBX试块表面引入两种不同形状的表面裂纹缺陷,根据缺陷和被测试件特性设计并制作了超声导波换能器。通过设置不同的传感器阵列方式分别对简单形状的裂纹缺陷进行成像,结果表明换能器阵列方式对成像结果有着显著影响。同时用两种不同的传感器阵列方式对PBX材料复杂形状表面裂纹进行了成像,也得到了比较好的成像结果。最后将非线性超声导波层析成像技术应用在PBX材料的检测,裂纹成像效果与实际缺陷一致性较好。