基于超声SH波的平板结构损伤识别研究
发布时间：2022-02-16 00:01
平板结构广泛应用于飞机、船舶与海洋工程等领域中,局部结构在复杂的环境因素和外界载荷的联合作用下十分容易出现各类微小损伤,而随着损伤的逐步发展,最终将造成结构的失效破坏,因此发展平板结构的健康监测技术对于现代工业具有重要意义。基于超声SH波的损伤识别技术具有传感器结构简单、系统能效比高,信号数据处理分析高效和对微小损伤敏感等诸多优点,可支持针对大型平板结构的长期实时健康监测。本文着眼于超声SH波的激发-接收方式和损伤识别方法这两大关键点,依次通过理论推导、数值仿真分析和实验验证等方式,开展了基于超声SH波的平板结构损伤识别应用研究:（1）首先通过理论推导的方式研究了超声SH波在自由平板中的传播特性,并结合MATLAB软件绘制了SH波在铝板中的频散曲线,验证了基础模态SH波的非频散特性,同时对基于超声导波的损伤定位、损伤面积识别和损伤深度评估等方法进行了介绍。（2）随后研究了d15式全向型SH波压电换能器的原理及其结构形式,采用有限元软件ANSYS验证其全向激发和接收SH波的性能,并通过数值仿真分析确定了适用于平板结构损伤识别的换能器结构参数。（3）最后搭建了基于超声...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自由平板中SH波示意图
大连理工大学硕士学位论文首先介绍关于相速度pc的频散曲线，相速度指的是导波中某恒定相位点沿着波传播方向推进的传播速度，参考式（2.15）已知的SH波频散方程显式解和波数的定义式pkc，可将频散方程改写为以下形式：222222Tpncch（2.19）将相速度构造为频率和板厚的乘积，即频厚积fd的函数d2h,2f，易由式（2.19）求解得到相速度的表达式如下：22224pTTfdcfdcfdnc（2.20）得到SH波相速度pc的显示解后，采用MATLAB软件，考虑波导为厚度2mm的铝板，并以频厚积fd为自变量，即可计算得到对应的SH波前6个模态的相速度频散曲线，如图2.2所示。图2.2铝板中SH波的相速度频散曲线Fig.2.2Phase-velocitydispersioncurveofSHwaveinaluminumplate12
大连理工大学硕士学位论文图2.3铝板中SH波的群速度频散曲线Fig.2.3Group-velocitydispersioncurveofSHwaveinaluminumplate观察SH波的相速度和群速度的频散曲线后不难发现，随着频率升高，频厚积增大，自由板中的SH模态也逐渐增多，除了基础模态的SH之外，其他的SH波模态无论为对称或反对称模态皆存在频散现象，波速将随着频率的变化而发生改变；而基础模态的SH波则不存在频散现象，其相速度和群速度都为波导的体剪切波波速Tc，因此在恒定频率下激发SH波，其在厚度均匀的结构中传播速度将保持定值，这一传播特性也使得基于超声SH波的损伤识别方法在实际工程应用中具有巨大的潜力。2.3损伤识别方法当板结构中存在损伤时，板中以圆形波阵面传播的导波同损伤发生相互作用后，损伤等效于板中导波的二次波源向外发射导波，因此通过接收传感器可采集得到损伤处散射波包的时域信号。相比于传统无损检测技术应用的板中导波Lamb波，SH0波具有非频散、同损伤相互作用后模态转换少和单模态波包等显著优势，因此通过特定的损伤识别方法可更高效且准确地提取出散射波包携有的损伤特征信息，实现损伤中心位置、损伤面积和损伤深度的识别和评估，从而为结构健康监测系统（SHM）提供结构损伤状况的定量信息。14
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于电磁超声的钢板自动检测方法探讨[J]. 黄磊,张鸿博,张宝利,莫霞琳,曹孟瑜. 物理测试. 2019(05)
[2]海上风机灾害分析及健康监测技术综述[J]. 朱松晔,朱子默,柯世堂. 南方能源建设. 2018(02)
[3]SH波的激发及与金属板中损伤相互作用[J]. 张超瑾,徐桂东. 电子科技. 2018(02)
[4]基于压电超声导波的管道缺陷检测数值模拟[J]. 彭芬,许斌,陈洪兵,王海东. 压电与声光. 2017(03)
[5]一起沉船事件的探讨（VLOC船舶安全）[J]. 王朝胜. 珠江水运. 2017(10)
[6]超声导波检测技术的发展、应用与挑战[J]. 何存富,郑明方,吕炎,邓鹏,赵华民,刘秀成,宋国荣,刘增华,焦敬品,吴斌. 仪器仪表学报. 2016(08)
[7]ELASTIC SH WAVE PROPAGATION IN PERIODIC LAYERED COMPOSITES WITH A PERIODIC ARRAY OF INTERFACE CRACKS[J]. Zhizhong Yan,Chunqiu Wei,Chuanzeng Zhang. Acta Mechanica Solida Sinica. 2015(05)
[8]基于全向EMAT的金属板缺陷Lamb波层析成像方法[J]. 魏争,黄松岭,王珅,赵伟. 清华大学学报(自然科学版). 2014(12)
[9]MOL Comfort号海难事故的背影[J]. 翁志敏,徐剑华. 中国船检. 2014(10)
[10]板状结构中基于Lamb波单模态的缺陷成像试验研究[J]. 刘增华,徐营赞,何存富,吴斌. 工程力学. 2014(04)
硕士论文
[1]超声导波损伤检测技术改进研究[D]. 邵勇.中国科学技术大学 2017
[2]超声导波任意波形激励技术研究[D]. 郑甜甜.北京交通大学 2016
[3]基于单模态的超声Lamb波技术在复合材料层合板中的健康检测研究[D]. 徐营赞.北京工业大学 2014
本文编号：3627519
【文章来源】：大连理工大学辽宁省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自由平板中SH波示意图
大连理工大学硕士学位论文首先介绍关于相速度pc的频散曲线，相速度指的是导波中某恒定相位点沿着波传播方向推进的传播速度，参考式（2.15）已知的SH波频散方程显式解和波数的定义式pkc，可将频散方程改写为以下形式：222222Tpncch（2.19）将相速度构造为频率和板厚的乘积，即频厚积fd的函数d2h,2f，易由式（2.19）求解得到相速度的表达式如下：22224pTTfdcfdcfdnc（2.20）得到SH波相速度pc的显示解后，采用MATLAB软件，考虑波导为厚度2mm的铝板，并以频厚积fd为自变量，即可计算得到对应的SH波前6个模态的相速度频散曲线，如图2.2所示。图2.2铝板中SH波的相速度频散曲线Fig.2.2Phase-velocitydispersioncurveofSHwaveinaluminumplate12
大连理工大学硕士学位论文图2.3铝板中SH波的群速度频散曲线Fig.2.3Group-velocitydispersioncurveofSHwaveinaluminumplate观察SH波的相速度和群速度的频散曲线后不难发现，随着频率升高，频厚积增大，自由板中的SH模态也逐渐增多，除了基础模态的SH之外，其他的SH波模态无论为对称或反对称模态皆存在频散现象，波速将随着频率的变化而发生改变；而基础模态的SH波则不存在频散现象，其相速度和群速度都为波导的体剪切波波速Tc，因此在恒定频率下激发SH波，其在厚度均匀的结构中传播速度将保持定值，这一传播特性也使得基于超声SH波的损伤识别方法在实际工程应用中具有巨大的潜力。2.3损伤识别方法当板结构中存在损伤时，板中以圆形波阵面传播的导波同损伤发生相互作用后，损伤等效于板中导波的二次波源向外发射导波，因此通过接收传感器可采集得到损伤处散射波包的时域信号。相比于传统无损检测技术应用的板中导波Lamb波，SH0波具有非频散、同损伤相互作用后模态转换少和单模态波包等显著优势，因此通过特定的损伤识别方法可更高效且准确地提取出散射波包携有的损伤特征信息，实现损伤中心位置、损伤面积和损伤深度的识别和评估，从而为结构健康监测系统（SHM）提供结构损伤状况的定量信息。14
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于电磁超声的钢板自动检测方法探讨[J]. 黄磊,张鸿博,张宝利,莫霞琳,曹孟瑜. 物理测试. 2019(05)
[2]海上风机灾害分析及健康监测技术综述[J]. 朱松晔,朱子默,柯世堂. 南方能源建设. 2018(02)
[3]SH波的激发及与金属板中损伤相互作用[J]. 张超瑾,徐桂东. 电子科技. 2018(02)
[4]基于压电超声导波的管道缺陷检测数值模拟[J]. 彭芬,许斌,陈洪兵,王海东. 压电与声光. 2017(03)
[5]一起沉船事件的探讨（VLOC船舶安全）[J]. 王朝胜. 珠江水运. 2017(10)
[6]超声导波检测技术的发展、应用与挑战[J]. 何存富,郑明方,吕炎,邓鹏,赵华民,刘秀成,宋国荣,刘增华,焦敬品,吴斌. 仪器仪表学报. 2016(08)
[7]ELASTIC SH WAVE PROPAGATION IN PERIODIC LAYERED COMPOSITES WITH A PERIODIC ARRAY OF INTERFACE CRACKS[J]. Zhizhong Yan,Chunqiu Wei,Chuanzeng Zhang. Acta Mechanica Solida Sinica. 2015(05)
[8]基于全向EMAT的金属板缺陷Lamb波层析成像方法[J]. 魏争,黄松岭,王珅,赵伟. 清华大学学报(自然科学版). 2014(12)
[9]MOL Comfort号海难事故的背影[J]. 翁志敏,徐剑华. 中国船检. 2014(10)
[10]板状结构中基于Lamb波单模态的缺陷成像试验研究[J]. 刘增华,徐营赞,何存富,吴斌. 工程力学. 2014(04)
硕士论文
[1]超声导波损伤检测技术改进研究[D]. 邵勇.中国科学技术大学 2017
[2]超声导波任意波形激励技术研究[D]. 郑甜甜.北京交通大学 2016
[3]基于单模态的超声Lamb波技术在复合材料层合板中的健康检测研究[D]. 徐营赞.北京工业大学 2014
本文编号：3627519
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