金属板中裂纹损伤的非线性超声评价

发布时间：2020-06-29 06:09

【摘要】：固体板结构在能源、运输、航空航天等行业的关键结构中获得广泛应用,板结构的可靠性和完整性越来越受到人们的重视。由于制造工艺不当,或者在外部载荷作用、疲劳效应、结构老化等不利因素的影响下,固体板内会逐渐产生许多微裂纹,这将影响到结构正常功能的发挥,甚至引起严重的事故。因此,对固体板结构的损伤状态进行有效、快速地检测和评价十分必要。非线性超声Lamb波具有传播速度快、传播距离远、对材料内部微结构变化敏感等特点,基于Lamb波的非线性超声无损检测方法的研究也因此受到了越来越多的关注,研究非线性Lamb波在固体板中的传播以及Lamb波与板中损伤相互作用的规律具有重要的意义。本文开展了金属板中微裂纹损伤的非线性超声损伤评价研究。首先通过求解Lamb波的频散方程,给出了单层铝板中Lamb波的相速度和群速度频散曲线。然后通过二阶微扰近似和导波模态展开法求解得到了二次谐波的解析解,推导了产生累积二次谐波的必要条件。在此基础上,模拟了 Lamb波在铝板中的传播过程,研究了相速度和群速度匹配对Lamb波累积二次谐波产生的影响,以及板中微裂纹对非线性Lamb波传播的影响。同时,还比较了在激发S1-s2模态对和S2-s4模态对两种情况下,不同深度的裂纹对非线性系数的影响以及Lamb波通过裂纹位置后非线性系数随传播距离的变化情况。最后,本文还进一步通过实验研究了非线性Lamb波的声学非线性系数与微裂纹深度之间的关系。本文的研究结果表明:(1)固体板中非线性Lamb波产生累积二次谐波的两个必要条件为:有非零功率通量从基频流入到二次谐波、基频与二次谐波的相速度匹配。当相速度匹配时,二次谐波幅值随传播距离线性累积增长;当相速度不匹配时,二次谐波幅值随传播距离以正弦形式变化并存在最大值。对于近似完全相速度匹配的情况,二次谐波幅值在有效距离内近似满足线性累积增长规律。(2)对于完好的单层板铝板,S1-s2模态对和S2-s4模态对只需要满足有非零功率通量从基频流入倍频以及相速度匹配这两个条件时,二次谐波幅值随传播距离呈现线性累积增长的特性,而群速度匹配不是线性累积增长的必要条件。对于存在微裂纹的铝板,非线性Lamb波S1-s2模态对和S2-s4模态对的声学非线性系数均随着裂纹深度的增加而增大。但在裂纹深度相同的情况下,S1-s2模态对的声学非线性系数对裂纹深度的变化更敏感,因此利用S1-s2模态对铝板中的裂纹损伤检测将更加有效。(3)在实验方面,可以通过利用斜楔换能器,以一定的入射角度和激发频率选择性激发出S1模态的Lamb波。在满足相速度匹配和非零功率通量从基频流入倍频的条件下,S1-s2模态对的声学非线性系数随传播距离线性累积增长。通过对存在不同深度裂纹铝板的非线性超声实验研究表明,当裂纹深度小于一定的范围时,裂纹产生的局部非线性与铝板自身的累积非线性相互叠加,使裂纹区域局部非线性系数增大。在非线性Lamb波的传播距离相同时,S1-s2模态的非线性系数随着裂纹深度的增加而增大。因此,可以利用非线性Lamb波中的S1-s2模态对金属板中裂纹深度扩展、演化过程等进行有效地评价。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG115.285;O346;TP274.53
【图文】：

示意图,波传播,微裂纹,示意图

性系数随距离变化的情况，给出了激发频率与频散长度［４（）］的关系。Ｚｈａ0１４１］在有随逡逑机分布微裂纹的薄板中激发Ｓ０模态Ｌａｍｂ波，研究非线性Ｌａｍｂ波与随机分布裂逡逑纹的响应特性，如图１－３所示。随机分布微裂纹会引起明显的超声非线性响应，主逡逑要表现为二次谐波的产生。超声非线性系数随着微裂纹密度和微裂纹区域的增大逡逑线性增长，并且也与激发频率和裂纹摩擦系数有关。逡逑Ｓｉｇｎａｌ邋ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ邋Ｓｉｇｎａｌ邋ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ逡逑ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋１逦ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋２逡逑ｙ邋＼逦５０ｍｍ邋５０ｍｍ逡逑Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ邋—＊逦…抑一＇）广，、（逡逑ｓ＇８ｎａ，邋ｚｚｊ逦逦Ｉ邋，」Ｈ邋逦逡逑逦１邋Ｌ邋Ｉ＊逦逡逑图１－３邋Ｌａｍｂ波传播通过具有微裂纹的区域的示意图［４１］逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋Ｌａｍｂ邋ｗａｖｅｓ邋ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ邋ｔｈｒｏｕｇｈ邋ａ邋ｒｅｇｉｏｎ邋ｗｉｔｈ邋ｍｉｃｒｏ－ｃｒａｃｋｓ．逡逑Ｚｈａｏ等［４２］分别对Ｌａｍｂ波在考虑几何非线性和材料非线性时的传播规律进行逡逑了研宄，得到传播距离与二次谐波幅值的关系。结果表明，材料非线性对二次谐逡逑波产生的贡献大于几何非线性，如图１－４所示。逡逑Ｌｉｕ等［４３］研究了邋Ｓｌ－ｓ２和ＳＨ２－Ｓ２模态Ｌａｍｂ波对在单层板中的传播规律。结果逡逑表明二次谐波可以由ＳＨ波和Ｌａｍｂ波产生，两种情况都观察到累积增长的二次谐逡逑波。Ｈｏｎｇ＾研宄带有疲劳裂纹的板中Ｓ１－Ｓ２模态对的传播规律

振幅比,传播距离,几何非线,材料非线性

图１－４邋ＳＯ模态在０．５ＭＨｚ下的仿真结果？？逦（ａ）邋（ｂ）几何非线性的结果；（ｃ）邋（ｄ）几何非线逡逑性和材料非线性的结果逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ邋ｒｅｓｕｌｔｓ邋ｆｏｒ邋ＳＯ邋ｍｏｄｅ邋ａｔ邋０．５邋ＭＨｚ：邋（ａ）邋（ｂ）邋ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ邋ｎｏｎｌｉｎｅａｒ邋ｒｅｓｕｌｔｓ；邋（ｃ）邋（ｄ）逡逑ｇｅｏｍｅｔｒｉ?

【参考文献】