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薄板中Lamb波的零群速度温度相关性及s0模态能量转换研究

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薄板中Lamb波的零群速度温度相关性及S0模态能量转换研究

作者：许薇南京理工大学

学位级别：硕士

激光超声无损检测技术可用于高温环境下板状材料及有缺陷板状材料的检测。本文从数值计算和实验两方面研究了温度对铝合金薄板中零群速度(ZGV)Lamb波的影响和有缺陷薄板中s模态的能量转换。本文首先将铝合金薄板看作周期单元结构,取得... 详细信息

激光超声无损检测技术可用于高温环境下板状材料及有缺陷板状材料的检测。本文从数值计算和实验两方面研究了温度对铝合金薄板中零群速度(ZGV)Lamb波的影响和有缺陷薄板中s模态的能量转换。本文首先将铝合金薄板看作周期单元结构,取得其中某个单元,基于有限元法计算铝合金薄板中Lamb波的频散曲线,解释了ZGV Lamb波存在的原因。接着,理论分析温度对铝合金薄板中ZGV Lamb波频率的影响,发现原因是:温度使得铝合金薄板厚度d、泊松比?和横波波速c改变,从而ZGV Lamb波频率改变。建立了基于多普勒测振仪的全光学探测与脉冲激光作用在不同温度铝合金薄板上表面激发s-ZGV模式的实验系统,得到s-ZGV模式频率变化与温度的关系,当温度从20℃升高到370℃,实验结果表明s-ZGV模式频率减小10.4%,理论计算结果表明s-ZGV模式频率减小10.9%,实验结果与理论计算结果吻合。从理论上分别分析铝合金薄板厚度d、泊松比?和横波波速c对ZGV Lamb波频率的影响,结果表明当温度从20℃升高到370℃时,横波波速对ZGV Lamb波频率的影响最大,厚度对ZGV Lamb波频率的影响非常小。建立了等效脉冲力源作用于有缺陷薄铝板侧面激发出单一非色散的s模态的模型,从力源作用的侧面和缺陷之间的某位置处探测到的时域波形图中可看出s模态在缺陷处发生模态转换反射回来的A模态(s-r A)法向位移大于入射s模态法向位移,进一步计算出缺陷处s-r A模态法向分量、入射s模态法向分量和切向分量的能量,结果表明缺陷处s-r A模态法向分量主要是由入射s模态切向分量转换而来。本文的研究结果可为之后的相关研究提供一定的参考和依据。

关键词：激光超声技术 ZGV Lamb波温度缺陷 s0模态能量转换

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超声兰姆波斜入射裂纹时的散射特性

机械工程学报 2013年第4期49卷 6-12页

作者：郑阳何存富周进节吴斌北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124 中国特种设备检测研究院北京100013

裂纹是导致众多结构失效的主要原因之一,采用超声兰姆波可有效地对板类结构中的裂纹等缺陷实现定位,但目前的技术尚无法实现对缺陷精细特征的测量。研究超声兰姆波与缺陷的交互作用,可为实现缺陷高精度检测奠定理论基础。采用散射系数... 详细信息

裂纹是导致众多结构失效的主要原因之一,采用超声兰姆波可有效地对板类结构中的裂纹等缺陷实现定位,但目前的技术尚无法实现对缺陷精细特征的测量。研究超声兰姆波与缺陷的交互作用,可为实现缺陷高精度检测奠定理论基础。采用散射系数矩阵表征弹性波与缺陷的交互作用,对兰姆波斜入射到裂纹时的散射特性进行仿真和试验研究,结果表明其散射场在周向上的分布并不均匀,有明显的波束指向性。随着入射角从0°变化到90°,波束指向角呈非单调性变化,且散射波能量迅速减小。当入射角为0°和90°时,s矩阵有明显的对称性,据此可测量裂纹的扩展方向。利用斜入射时裂纹散射场的特征可以设计合理的成像算法及传感器布置方案,以更有效地实现超声兰姆波对板类结构中裂纹的精细检测。

关键词：散射系数矩阵兰姆波 s0模态斜入射裂纹

电磁超声换能器优化设计与板状结构损伤成像应用研究

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传感技术学报 2017年第11期30卷 1758-1765页

作者：郭鹏徐鸿田振华邓博蓝翔陈显会华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室北京102206

提出了一种用于板状结构损伤成像的虚拟电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)阵列。由螺旋线圈和圆柱形永磁铁组成的电磁超声换能器可以通过洛伦兹力在铝板中有效地激发低频散和高幅值的单一s0模态兰姆波。实验研... 详细信息

提出了一种用于板状结构损伤成像的虚拟电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)阵列。由螺旋线圈和圆柱形永磁铁组成的电磁超声换能器可以通过洛伦兹力在铝板中有效地激发低频散和高幅值的单一s0模态兰姆波。实验研究了电磁超声换能器配置参数(如激发频率,螺旋线圈外径、螺旋线圈内径和提离距离)对s0模态兰姆波性能的影响。另外,将接收电磁超声换能器移动到用于接收兰姆波的多个预定义位置来构建虚拟传感器阵列,实验研究了阵元间距和阵元数量对成像结果的影响。结果表明,通过相控虚拟聚焦成像方法,虚拟电磁超声换能器阵列的成像结果与实际损伤位置吻合良好。

关键词：电磁超声换能器洛伦磁力优化设计 s0模态损伤检测阵列成像

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基于频率调谐和相控阵的金属板损伤检测

压电与声光 2018年第1期40卷 128-133页

作者：崔媛智骆英徐桂东徐晨光王自平江苏大学土木工程与力学学院高端装备关键结构健康管理国际联合研究中心江苏镇江212013

基于兰姆(Lamb)波的无损检测方法已成为板类结构损伤检测的重要手段之一。然而,Lamb波的多模态与频散特性,使其在传播及信号处理方面有很大的复杂性。该文将Lamb波应用于线性相控阵损伤检测研究,采用频率调谐理论,获得频散效应弱的s_0波... 详细信息

基于兰姆(Lamb)波的无损检测方法已成为板类结构损伤检测的重要手段之一。然而,Lamb波的多模态与频散特性,使其在传播及信号处理方面有很大的复杂性。该文将Lamb波应用于线性相控阵损伤检测研究,采用频率调谐理论,获得频散效应弱的s_0波,对板状结构中裂纹型刻槽损伤,进行直观成像和精确定位。仿真与实验表明,频率调谐法可优选出弱频散的s_0模态用于损伤检测,结合线性相控阵列,可对损伤类型及方位做出判断,得到有效的损伤检测信息。

关键词：超声兰姆(Lamb)波 s0模态线性相控阵损伤成像

基于压电陶瓷片的Lamb波单模态激励及缺陷检测的实验研究

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北京工业大学学报 2011年第10期37卷 1453-1458页

作者：刘增华王娜何存富于波吴斌北京工业大学机械工程及应用电子技术学院北京100124

为了激励Lamb波单一模态的s0和A0,采用2个相同的直径14 mm、厚0.8 mm的压电陶瓷片对称粘贴在2 mm厚的有机玻璃板上作激励传感器,在另一位置布置同一尺寸的压电陶瓷片作接收传感器.采用一发一收法,在低于100 kHz的频段内,激励传感器在板... 详细信息

为了激励Lamb波单一模态的s0和A0,采用2个相同的直径14 mm、厚0.8 mm的压电陶瓷片对称粘贴在2 mm厚的有机玻璃板上作激励传感器,在另一位置布置同一尺寸的压电陶瓷片作接收传感器.采用一发一收法,在低于100 kHz的频段内,激励传感器在板中分别单片、2片对称和反对称并联激励Lamb波,分析接收信号中模态成分的变化.并在此基础上,采用3种不同的激励Lamb波的方式对板中模拟缺陷进行了检测.实验结果表明,在一定频段内,对称并联激励压电陶瓷片可以有效抑制A0模态,得到较为单一的s0模态,而反对称并联激励压电陶瓷片能有效抑制s0模态,得到较为单一的A0模态;激励的Lamb波信号中模态越单一,缺陷回波越易识别.

关键词： Lamb波薄板 s0模态 A0模态缺陷

基于Lamb波频率调谐和相控阵的金属板损伤检测研究

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基于Lamb波频率调谐和相控阵的金属板损伤检测研究

作者：崔媛智江苏大学

学位级别：硕士

薄壁结构(飞机机壳、工业容器等)是工程应用中最常见的结构形式之一,由于其在生产制造过程中不可避免会产生内部缺陷,及使用过程中受到外界载荷与环境侵蚀都会危害结构安全性,从而给生产安全和国民经济带来危害。因此板状结构的无损检... 详细信息

薄壁结构(飞机机壳、工业容器等)是工程应用中最常见的结构形式之一,由于其在生产制造过程中不可避免会产生内部缺陷,及使用过程中受到外界载荷与环境侵蚀都会危害结构安全性,从而给生产安全和国民经济带来危害。因此板状结构的无损检测技术研究具有重要的工程实际意义。相比于其他各类常规检测方法,基于超声Lamb波的结构无损检测方法具有检测范围大、对各类微小损伤敏感等优势,得到较为广泛的应用。但是由于Lamb波的多模态以及频散特性,会对损伤检测结果的精度造成一定影响。因此本文将超声Lamb波应用于线性相控阵列损伤检测研究中,采用频率调谐理论,获得频散效应弱的s模态超声Lamb波,针对金属板中不同位置和不同形状的损伤,进行直观的成像定位,得到了较准确的损伤评估信息。本文所研究的基于线性相控阵列的超声无损检测方法可以应用于板状结构的实际检测中,为各类大型板状结构长期稳定工作提供理论指导和实验支持。本文主要研究工作包括:首先,对板中超声Lamb波的基本理论进行推导,明晰了超声Lamb波的传播特征。对超声Lamb波的频散效应和多模态特征进行理论研究,得出超声Lamb波的频散曲线。研究压电晶片换能器与板结构耦合激励超声Lamb波的机制,使用频率调谐理论,通过解析计算获得激励频率与超声Lamb波各模态幅值分布之间的关系,并进行了实验测试验证,建立超声Lamb波中频散效应较弱的s模态的选择依据及选择方法。其次,基于超声Lamb波传播速度快、距离远、能量衰减小等特性,研究相适应的一维线性相控阵阵列,对阵列参数进行优化设计,通过探究阵列中阵元数量、阵元类型、阵元间距及阵元尺寸等线阵参数对线性阵列空间指向性的影响,优化设计出最佳的线性相控阵结构参数,提升声束主瓣能量,抑制声束旁瓣和栅瓣,提高损伤检测的精度和相控阵成像质量。对超声相控阵驱动原理和延时计算进行了数学推导,对超声相控阵检测原理和成像原理也进行了介绍和解释。建立了基于超声Lamb波的线性相控阵逐点聚焦扫描损伤成像算法。最后,基于COMsOL仿真平台,建立仿真数值模型对预置损伤进行损伤定位并成像,验证逐点扫描损伤成像算法的有效性。基于仿真数值模拟的研究结果,构建实验检测平台,采用一维线性相控阵结合超声Lamb波频率调谐技术对薄铝板内部不同位置及不同形状的损伤进行检测,并对预置损伤实现定位和成像分析,与仿真数值模拟结果进行对比,总结分析出实验与仿真模型的差异,探究偏差产生的影响因素。

关键词：超声Lamb波 s0模态线性超声相控阵阵列参数优化损伤成像

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兰姆波在含微损伤铝板中的非线性特征研究

兰姆波在含微损伤铝板中的非线性特征研究

作者：韦代平重庆大学

学位级别：硕士

金属材料在使用过程中会发生性能退化,产生位错、蠕变、微裂纹等微观损伤,损伤进一步加剧,会发生断裂,影响工业生产且存在重大安全隐患。因此,有必要对材料早期阶段发生的材料非线性损伤进行检测。本文研究兰姆波在含微损伤铝板中的非... 详细信息

金属材料在使用过程中会发生性能退化,产生位错、蠕变、微裂纹等微观损伤,损伤进一步加剧,会发生断裂,影响工业生产且存在重大安全隐患。因此,有必要对材料早期阶段发生的材料非线性损伤进行检测。本文研究兰姆波在含微损伤铝板中的非线性特征,分析Lamb波在铝板中传播原理并进行有限元模拟仿真。分析振动形态对水平方向和垂直方向的谐波幅值、非线性系数的影响,分析局部加强损伤对谐波幅值、非线性系数的影响,为工程应用提供参考。最后研究混频s模态兰姆波在铝板中的非线性特征。本文首先研究Lamb波在金属材料板中传播理论方程,求得频散方程,绘制频散曲线;解释金属材料非线性损伤理论,非线性Lamb波的二次谐波、差频与和频的产生,分析低频s模态Lamb波在近似相速度匹配条件下的累积效应;理论分析用于损伤评价的非线性系数。分析Lamb波振动形态,并绘制s模态Lamb波振动位移曲线,分析Lamb波振动形态对谐波及非线性系数的影响。在理论研究的基础上,利用有限元分析软件ABAQUs建立Lamb波在铝板中传播的二维模型,用ABAQUs用户子程序为铝板模型引入三阶弹性常数作为均匀非线性损伤。在铝板模型中局部位置改变三阶弹性常数引入局部加强损伤,分析局部加强损伤对Lamb波二次谐波和非线性系数随Lamb波传播距离的变化曲线的影响,分析了不同位置的局部损伤导致曲线第一个最大值点产生不同的偏移。分析了两个或多个加强局部损伤在一定距离范围内时,会产生干涉相消效应,损伤之间的不同距离会导致二次谐波造成不同程度的减弱。用有限元仿真混频s模态兰姆波在铝板中的非线性特征,绘制差频、和频、二次谐波的幅值-距离曲线,对比水平方向、垂直方向的差频、和频以及二次谐波的幅值累积距离和谐波最大值。

关键词： Lamb波 s0模态有限元分析局部损伤累积效应混频

复合材料结构损伤的非线性Lamb波评估方法研究

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复合材料结构损伤的非线性Lamb波评估方法研究

作者：冯瑶南京邮电大学

学位级别：硕士

在现代工程中,复合材料已广泛应用于各个领域。由于其对外来物体冲击的敏感性,在不适当的使用或者恶劣的环境中,复合材料可能会遭受各种形式的不可见且难以识别的损伤,这些都要求对复合材料中的损伤有早期的认识。传统的线性Lamb波对于... 详细信息

在现代工程中,复合材料已广泛应用于各个领域。由于其对外来物体冲击的敏感性,在不适当的使用或者恶劣的环境中,复合材料可能会遭受各种形式的不可见且难以识别的损伤,这些都要求对复合材料中的损伤有早期的认识。传统的线性Lamb波对于微小损伤的敏感度较低,已经难以满足对于损伤监测的要求。本文在研究非线性Lamb波传播理论的基础上,以环氧树脂复合材料板为研究对象,研究了非线性Lamb波在复合材料损伤监测上的应用。本文的具体工作内容如下:（1）介绍了结构健康监测的概念及其具体内容,并论述了Lamb波监测方法和非线性Lamb在结构健康监测上的应用,在此基础上阐述了Lamb波在国内外的研究现状,给出了本文的研究内容及意义。（2）理论上研究了非线性Lamb波的传播规律及特性,分析了二次谐波产生来源,接着给出了产生累积二次谐波所必须具备的两个条件,最后给出了Lamb波的激励和传感方法。（3）研究了非线性Lamb波的损伤监测机理,推导了非线性特征参数的计算公式,使其可以定量表征材料的非线性程度。最后利用均值滤波以及频域信号分析方法,对信号进行处理,以便获取信号的基波与二次谐波幅值。（4）研究了非线性Lamb波对于损伤的敏感性。利用s0模态Lamb波对损伤进行研究,研究结果表明,非线性Lamb波对于结构中的微损伤具有较好的敏感性,当结构出现损伤时,非线性特征参数值会明显增大,同时,当损伤程度逐步加深时,非线性特征参数值也会越来越大,这为下一步的损伤定位做了基础工作。（5）基于传感器网络,研究了裂纹损伤结构上一维和二维平面内的定位问题。研究结果发现,损伤的位置和非线性特征参数之间存在一定的对应关系,证明了非线性Lamb波技术可以用于微损伤的监测和评估。

关键词：非线性Lamb波 s0模态特征参数裂纹损伤

金属板中基于线性超声相控阵列的损伤检测研究

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电子科技 2017年第10期30卷 33-38页

作者：崔媛智李默江苏大学土木工程与力学学院江苏镇江212013

金属板结构由于在使用过程中受到外界载荷作用极易产生缺陷,而目前对结构初期损伤的实时动态监测仍存在一定困难。超声相控阵阵列检测技术不仅具有较高灵敏度,还具有对损伤进行动态聚焦、提升检测信号信噪比和损伤成像分辨率等优点。通... 详细信息

金属板结构由于在使用过程中受到外界载荷作用极易产生缺陷,而目前对结构初期损伤的实时动态监测仍存在一定困难。超声相控阵阵列检测技术不仅具有较高灵敏度,还具有对损伤进行动态聚焦、提升检测信号信噪比和损伤成像分辨率等优点。通过对线性相控阵列参数进行优化设计,结合Lamb波频率调谐理论,使用频散效应弱的单一s0模态Lamb波,应用相控阵逐点扫描算法,通过仿真和实验两种手段针对板中贯穿刻槽损伤进行精确定位并成像,结果显示,该算法可对损伤所在方位及走向做出判断,得到较高质量的损伤评估检测信息。为各类大型板状结构长期稳定工作提供理论指导和实验支持。

关键词：线性超声相控阵 s0模态阵列参数优化损伤成像