基于激励单一模态Lamb波磁致伸缩换能器的结构优化仿真分析
发布时间：2022-01-24 19:06
为提高超声Lamb波信号强度,对磁致伸缩贴片换能器结构进行优化。在磁致伸缩贴片径向开狭缝的同时采用双面激励的方式使铝板内产生单一模态Lamb波,对优化后的结构进行理论分析并结合仿真验证;利用COMSOL仿真磁致伸缩贴片换能器在铝板内激励Lamb波的过程,得到优化前后磁致伸缩贴片附近磁场强度、上下表面电流密度,以及铝板应变;以铝板内质点位移作为Lamb波信号强度的评判标准。结果表明:利用优化后的结构对铝板双面激励可以使质点位移增加68.4%;相比于结构未优化时,在双面激励的条件下,将磁致伸缩贴片径向开狭缝,可有效增加输出信号,并且可以得到单一模态Lamb波。
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(05)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
磁致伸缩贴片换能器双面激励工作模型Fig.1Double-sidesexcitationmodelofmagnetostrictionpatchtransducer
SOL磁场与固体力学场模拟磁致伸缩贴片换能器结构优化之后，通过双面激励产生单一S0模态Lamb波的工作过程。2磁致伸缩贴片换能器工作机理2.1磁致伸缩贴片换能器工作模型在本项研究中，利用双面激励产生单一模态Lamb波。如图1所示，磁致伸缩贴片换能器主要元件有永磁铁、通电线圈、磁致伸缩贴片。磁致伸缩贴片上表面铺设提供动态磁场的通电线圈，下表面与铝板耦合，提供静态磁场的永磁铁置于线圈正上方，铝板正反两侧相同位置布置相同的磁致伸缩贴片换能器达到双面激励效果。结构优化方式如图2所示，在磁致伸缩贴片径向开狭缝，使感生涡流通至被测铝板表面，静态磁场的存在使铝板中产生洛伦兹力；同时，铝板表面的感生磁场也增强了磁致伸缩贴片的变形。将结构优化后的磁致伸缩贴片换能器置于被测铝板两面相同位置。图1磁致伸缩贴片换能器双面激励工作模型Fig.1Double-sidesexcitationmodelofmagnetostrictionpatchtransducer图2磁致伸缩贴片形状优化方式Fig.2Shapeoptimizationofmagnetostrictionpatch2.2径向狭缝对磁致伸缩贴片的作用如图3所示，磁致伸缩贴片换能器中通电线圈贴合在与被测铝板耦合的磁致伸缩贴片上表面，线圈上方放置提供静态磁场的永磁铁。当线圈通入顺时针方向初始电流J0，根据右手定则可知，通电线圈周围产生动态磁场H1。为阻止H1的增加，磁致伸缩贴片上表面会产生逆时针方向感应涡流J1。当通电线圈置于磁致伸缩贴片上方，线圈通电后产生的感应涡流仅存在于上表面。由于涡流和磁场在贴片表面局部感应，变形发生在上表面趋肤深度附近，导致输出信号强度弱，在有周围环境干扰的状态下不易识别损伤。如果单纯通过升高电压提高输入电流?
致伸缩贴片换能器达到双面激励效果。结构优化方式如图2所示，在磁致伸缩贴片径向开狭缝，使感生涡流通至被测铝板表面，静态磁场的存在使铝板中产生洛伦兹力；同时，铝板表面的感生磁场也增强了磁致伸缩贴片的变形。将结构优化后的磁致伸缩贴片换能器置于被测铝板两面相同位置。图1磁致伸缩贴片换能器双面激励工作模型Fig.1Double-sidesexcitationmodelofmagnetostrictionpatchtransducer图2磁致伸缩贴片形状优化方式Fig.2Shapeoptimizationofmagnetostrictionpatch2.2径向狭缝对磁致伸缩贴片的作用如图3所示，磁致伸缩贴片换能器中通电线圈贴合在与被测铝板耦合的磁致伸缩贴片上表面，线圈上方放置提供静态磁场的永磁铁。当线圈通入顺时针方向初始电流J0，根据右手定则可知，通电线圈周围产生动态磁场H1。为阻止H1的增加，磁致伸缩贴片上表面会产生逆时针方向感应涡流J1。当通电线圈置于磁致伸缩贴片上方，线圈通电后产生的感应涡流仅存在于上表面。由于涡流和磁场在贴片表面局部感应，变形发生在上表面趋肤深度附近，导致输出信号强度弱，在有周围环境干扰的状态下不易识别损伤。如果单纯通过升高电压提高输入电流的方式增强输出信号强度，会对设备产生不必要的负担。如图3所示，贴片下表面与铝板耦合，在贴片径向开狭缝，贴片上表面感应涡流会随狭缝流至贴片下表面，再通过狭缝自贴片下表面流回上表面形成闭合回路。图3显示了磁致伸缩贴片上表面和下表面上的涡流J1、J2，铝板表面产生的感生涡流J3，以及贴片上表面由J0引起的感生磁场H1、由J3引起的感生磁场H2。在开狭缝之前，只有贴片上表面附近存在动态磁场，开狭缝后感生涡?
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声导波电磁声换能器的研究进展[J]. 刘增华,谢穆文,钟栩文,龚裕,何存富,吴斌. 北京工业大学学报. 2017(02)
[2]基于洛伦兹力机制的电磁超声发射换能器的建模与优化[J]. 孙斐然,孙振国,张文增,陈强. 机械工程学报. 2016(06)
[3]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[J]. 刘增华,王娜,何存富,于波,吴斌. 北京工业大学学报. 2011(10)
[4]基于波结构的Lamb波单一模态激励仿真[J]. 吴斌,周伟,郑阳,何存富. 无损检测. 2011(07)
[5]板中孔状缺陷的超声导波检测试验研究[J]. 刘增华,赵继辰,吴斌,何存富. 北京工业大学学报. 2011(01)
[6]Lamb波双面激励方法及其在近邻损伤监测中的应用[J]. 蔡建,袁慎芳,张逍越,王强. 南京航空航天大学学报. 2010(01)
本文编号：3607135
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(05)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
磁致伸缩贴片换能器双面激励工作模型Fig.1Double-sidesexcitationmodelofmagnetostrictionpatchtransducer
SOL磁场与固体力学场模拟磁致伸缩贴片换能器结构优化之后，通过双面激励产生单一S0模态Lamb波的工作过程。2磁致伸缩贴片换能器工作机理2.1磁致伸缩贴片换能器工作模型在本项研究中，利用双面激励产生单一模态Lamb波。如图1所示，磁致伸缩贴片换能器主要元件有永磁铁、通电线圈、磁致伸缩贴片。磁致伸缩贴片上表面铺设提供动态磁场的通电线圈，下表面与铝板耦合，提供静态磁场的永磁铁置于线圈正上方，铝板正反两侧相同位置布置相同的磁致伸缩贴片换能器达到双面激励效果。结构优化方式如图2所示，在磁致伸缩贴片径向开狭缝，使感生涡流通至被测铝板表面，静态磁场的存在使铝板中产生洛伦兹力；同时，铝板表面的感生磁场也增强了磁致伸缩贴片的变形。将结构优化后的磁致伸缩贴片换能器置于被测铝板两面相同位置。图1磁致伸缩贴片换能器双面激励工作模型Fig.1Double-sidesexcitationmodelofmagnetostrictionpatchtransducer图2磁致伸缩贴片形状优化方式Fig.2Shapeoptimizationofmagnetostrictionpatch2.2径向狭缝对磁致伸缩贴片的作用如图3所示，磁致伸缩贴片换能器中通电线圈贴合在与被测铝板耦合的磁致伸缩贴片上表面，线圈上方放置提供静态磁场的永磁铁。当线圈通入顺时针方向初始电流J0，根据右手定则可知，通电线圈周围产生动态磁场H1。为阻止H1的增加，磁致伸缩贴片上表面会产生逆时针方向感应涡流J1。当通电线圈置于磁致伸缩贴片上方，线圈通电后产生的感应涡流仅存在于上表面。由于涡流和磁场在贴片表面局部感应，变形发生在上表面趋肤深度附近，导致输出信号强度弱，在有周围环境干扰的状态下不易识别损伤。如果单纯通过升高电压提高输入电流?
致伸缩贴片换能器达到双面激励效果。结构优化方式如图2所示，在磁致伸缩贴片径向开狭缝，使感生涡流通至被测铝板表面，静态磁场的存在使铝板中产生洛伦兹力；同时，铝板表面的感生磁场也增强了磁致伸缩贴片的变形。将结构优化后的磁致伸缩贴片换能器置于被测铝板两面相同位置。图1磁致伸缩贴片换能器双面激励工作模型Fig.1Double-sidesexcitationmodelofmagnetostrictionpatchtransducer图2磁致伸缩贴片形状优化方式Fig.2Shapeoptimizationofmagnetostrictionpatch2.2径向狭缝对磁致伸缩贴片的作用如图3所示，磁致伸缩贴片换能器中通电线圈贴合在与被测铝板耦合的磁致伸缩贴片上表面，线圈上方放置提供静态磁场的永磁铁。当线圈通入顺时针方向初始电流J0，根据右手定则可知，通电线圈周围产生动态磁场H1。为阻止H1的增加，磁致伸缩贴片上表面会产生逆时针方向感应涡流J1。当通电线圈置于磁致伸缩贴片上方，线圈通电后产生的感应涡流仅存在于上表面。由于涡流和磁场在贴片表面局部感应，变形发生在上表面趋肤深度附近，导致输出信号强度弱，在有周围环境干扰的状态下不易识别损伤。如果单纯通过升高电压提高输入电流的方式增强输出信号强度，会对设备产生不必要的负担。如图3所示，贴片下表面与铝板耦合，在贴片径向开狭缝，贴片上表面感应涡流会随狭缝流至贴片下表面，再通过狭缝自贴片下表面流回上表面形成闭合回路。图3显示了磁致伸缩贴片上表面和下表面上的涡流J1、J2，铝板表面产生的感生涡流J3，以及贴片上表面由J0引起的感生磁场H1、由J3引起的感生磁场H2。在开狭缝之前，只有贴片上表面附近存在动态磁场，开狭缝后感生涡?
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声导波电磁声换能器的研究进展[J]. 刘增华,谢穆文,钟栩文,龚裕,何存富,吴斌. 北京工业大学学报. 2017(02)
[2]基于洛伦兹力机制的电磁超声发射换能器的建模与优化[J]. 孙斐然,孙振国,张文增,陈强. 机械工程学报. 2016(06)
[3]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[J]. 刘增华,王娜,何存富,于波,吴斌. 北京工业大学学报. 2011(10)
[4]基于波结构的Lamb波单一模态激励仿真[J]. 吴斌,周伟,郑阳,何存富. 无损检测. 2011(07)
[5]板中孔状缺陷的超声导波检测试验研究[J]. 刘增华,赵继辰,吴斌,何存富. 北京工业大学学报. 2011(01)
[6]Lamb波双面激励方法及其在近邻损伤监测中的应用[J]. 蔡建,袁慎芳,张逍越,王强. 南京航空航天大学学报. 2010(01)
本文编号：3607135
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