基于超声Lamb波的结构损伤检测方法研究

发布时间：2020-04-09 14:38

【摘要】：无论是金属薄板还是碳纤维增强复合材料在航空航天、航海舰艇和压力容器等工业领域都得到了普遍的运用。运用超声波对此类板状类材料进行损伤检测一直以来都是结构健康检测领域的研究热点和难点。超声兰姆波(Lamb waves)是超声无损检测中经常使用的一种导波形式,与传统使用超声体波(横波和纵波)的点对点检测方式相比,超声Lamb波检测能够实现一处激发大面积传播,因此基于超声Lamb波的损伤检测方法更加快捷和高效。基于超声Lamb波的损伤检测方法常利用损伤引起的波速变化和振幅变化作为特征参数进行检测。本文主要利用薄板件中超声Lamb波的振幅变化来研究超声导波成像检测方法。该方法可以进行损伤定位和定量,是一种直观通过图像来判断损伤的有效技术。本文首先介绍了Lamb波在各向同性材料和各向异性材料中的传播机理,结合各向同性材料中的波动方程及板的边界条件,求解各向同性材料的Lamb波频散方程,绘制铝板中Lamb波的相速度和群速度频散曲线。根据分波理论,求解各向异性材料的Lamb波频散方程。引入波的能流图概念,介绍一种基于激光扫描的超声导波损伤评估方法。为后续的工作提供理论依据和技术基础。其次,使用有限元分析软件ABAQUS模拟Lamb波在薄板中的传播,进而验证基于激光扫描的超声导波损伤评估方法的可靠性。建立含有损伤的铝板有限元三维仿真模型,通过模拟结果的位移形变云图分析Lamb波在铝板中的传播特性,采集检测区域内网格单元节点的位移历史输出,根据振幅的变化绘制波的“能流图”判断损伤的位置和形状大小。分析不同频率的激励信号下对损伤检测效果的影响,研究多个损伤和损伤在铝板边界的复杂情况下的损伤检测。建立含有脱层损伤的CFRP复合材料层合板有限元三维仿真模型,研究不同的材料铺层方向下Lamb波的传播特性,采集检测区域内网格单元节点的位移历史输出,根据振幅的变化绘制波的“能流图”判断损伤的位置和形状大小,研究不同的采样点数对损伤检测图像效果的影响,研究多个脱层损伤复杂情况下的损伤检测。最后,提出一种基于Lamb波的层析成像两级重建方法的改进方案,该方案只需要采集检测区域边界的Lamb波振幅信号,比基于激光扫描的超声导波损伤评估方法的数据量要少很多。图像重构主要是通过两个步骤实现,第一步通过筛选可疑的激光传播路径来大致判断损伤的位置和形状,第二步是使用最小二乘法来准确重构损伤图像。通过实验方法分别检测含有非穿透凹槽的铝板和含有内部脱层的CFRP复合材料层合板中的损伤来验证了改进方案的有效性。该方法非常适合需要快速损伤检测的情况。
【图文】：

2 Lamb 波的基本理论2.1 概述波是介质振动的传播。当介质粒子振动的方向和该介质振动波的前进方向平行时为纵波（图 2.1（a）），声波和地震中的 P 波就是纵波；当介质粒子振动的方向和该介质振动波的前进方向垂直时为横波（图 2.1（b）），电磁波和地震中的 S波就是横波。由纵波和横波相互干涉产生的波是表面波，表面波与纵波和横波相比具有衰减慢，并且能够长距离传播的特点，表面波又可以分为瑞利波（Rayleighwave）和勒夫波（Love wave）两种。瑞利波（图 2.1（c））是一种在与波的前进方向相互垂直的方向上以椭圆的轨迹振动的波，它由纵波和横波中垂直振荡的波（SV 波）组成。勒夫波（图 2.1（d））是一种与波的前进方向相互垂直的方向上的波（SH 波）的水平振动产生的波。

重庆大学硕士学位论文分为对称模态（S）和反对称模态（A）[68]，图 2.2（a）为对称（b）为反对称模态 Lamb 波。对称模态 Lamb 波在薄板中粒中心面对称，沿波传播方向上粒子的振动方向相同，而沿子振动方向相反，并且粒子以纵波的形式在薄板的中心面mb 波在薄板中粒子的振动方向不关于中心面对称，沿波传播而沿垂直于波传播方向上粒子的振动方向相同，此时粒子中心面振动。不同的模态在板中的传播速度不同，，这与薄心频率以及材料的属性等有关。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB302.5

【参考文献】

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本文编号：2620888