闭合裂纹非共线混频超声检测试验研究

针对结构中微裂纹检测难题,发展了一种闭合裂纹非共线混频超声检测方法。在对非共线混频超声检测机理分析基础上,进行了结构中疲劳裂纹混频非线性超声检测实验。对有无裂纹试件中检测信号进行了滤波和时频分析,结果表明,可根据信号滤波后时域波形中是否存在明显的混频波包或时频分析中是否存在明显的和频分量,实现有无闭合裂纹的判识;通过移动激励探头的位置,控制两列入射声波在试件中的交汇位置,实现试件中不同深度位置的混频非线性检测。并根据测得的混频非线性系数沿试件深度方向上分布,实现了闭合裂纹沿深度方向上长度的测量。研究工作为结构中微裂纹定量评价做了有益探索。      

裂纹尖端塑性区非线性超声混频定位表征

基于非共线体波混频的方法,本文对金属材料中裂纹尖端的塑性变形区开展定位表征研究。基于二阶微扰理论和矢量分析方法,理论研究非共线体波混频的共振条件及其定位塑性变形区的机理。有限元仿真表明,两横波混频产生的纵波可用于定位塑性变形区。以A17075-T6材料为检测对象,通过实验证明两列横波混频定位裂纹尖端塑性区的可行性。实验中分别选取中心频率为5 MHz-5 MHz的两列横波和4.75 MHz-55.25 MHz的两列横波作为基波,利用非线性超声混频参量定位表征裂纹尖端的塑性变形区。研究结果表明两种频率对产生的非线性超声混频参量峰值区域与试样中塑性区位置吻合度比较好,可以看出非线性超声混频方法能够比较有效地定位金属裂纹尖端塑性区。      

无损评价固体板材疲劳损伤的非线性超声兰姆波方法

从理论上分析了采用非线性超声兰姆波方法准确评价固体板材疲劳损伤的可行性.对于未承受周期性载荷作用的航空铝板,采用已建立的超声兰姆波实验系统测量了在其中传播的超声兰姆波的基波和二次谐波的幅频曲线,并对所测得结果给予了合理的物理解释.对两块给定的航空铝板试件施加拉-拉疲劳载荷作用,在超声兰姆波具有强烈非线性效应的条件下,对于不同的载荷循环次数,分别对两试件中超声兰姆波的基波和二次谐波的幅频曲线进行了测量.结果表明,在板材疲劳损伤的初期,超声兰姆波基波的应力波因子随循环次数的改变并不明显,且与循环次数的对应关系也不确定;然而,在周期性载荷作用的最初阶段,超声兰姆波二次谐波的应力波因子随循环次数的变化非常显著,并表现出明显的单调对应关系,表明超声兰姆波的非线性效应及相应的超声兰姆波二次谐波的应力波因子,可望能为固体板材早期疲劳损伤的准确评价提供一条有效途径.     

兰姆波各模式声速与板材疲劳关系研究

为了研究由于材料疲劳造成的材料弹性系数变化对兰姆波各模式相速度的影响,对兰姆波传播特性进行了理论计算与实验测量.研究表明高阶模式兰姆波相速度对于弹性系数的变化要比零阶模式敏感.对于LY-12-CZ合金铝板,A3模式由于材料疲劳产生的相速度相对变化量要比A0模式约高4倍.因此采用高阶模式兰姆波进行无损检测,其灵敏度要远优...     

金属基复合结构粘接强度的非线性超声混频检测

采用非线性超声混频方法对金属基复合结构的粘接强度进行表征研究。以不同固化剂含量的铝合金丙烯酸酯粘接结构作为检测对象,基于非线性超声混频的共振条件及其作用机制,并结合粘接固化机理,开展了非线性超声混频实验。非线性超声混频模式选取两列横波生成和频纵波的方式,实验测量并计算不同基频周期数下的超声非线性参量。通过拉伸实验标定粘接结构的粘接强度,并采用扫描电镜分析拉伸断面微观结构,进而分析超声非线性参量与粘接强度的关系。从实验结果可以看出在不同周期的基频信号激励下,超声非线性参量随着粘接强度的增大均呈现出减小的趋势。研究表明非线性超声混频信号对金属基复合结构粘接强度的变化比较敏感,可以适用于类似结构件粘接强度状态弱化的表征。     

非线性兰姆波在阶梯板中传播的有限元仿真

在非线性兰姆波检测中,累积二次谐波是重要的检测信号.该文利用有限元法仿真了非线性兰姆波在阶梯板中的产生和传播过程,通过二维离散傅里叶变换分析了兰姆波的传播模态和各个模态通过波导横截面的能流大小,给出了各个模态在阶梯板中的反射、透射系数,总结了其随阶梯板厚度的变化规律.研究发现,随着台阶增高,散射效应使得兰姆波更难入射波...     

结构微裂纹混频非线性超声检测方法研究

给出了一种基于混频效应的非线性超声微裂纹检测方法。首先,对结构损伤混频检测机理及信号特征提取方法进行了理论分析,之后,根据试件中差频分量及和频分量幅值分布随激励信号频率变化关系,优化确定出混频检测参数。最后,进行了异侧混频激励下无损检测试验研究,并分析了激励信号频率变化对混频检测效果的影响。结果表明,异侧激励混频检测模式不仅可以实现结构中疲劳微裂纹检测,而且可以实现缺陷的定位。且检测信号频率选择对混频检测信噪比有一定的影响。当检测信号中的混频分量幅值最大时,混频检测效果最佳。因此,在优化检测参数基础上,异侧混频激励检测模式可以很好实现结构微裂纹的检测与定位。      

超声非线性效应表征的动态小波指纹分析方法

针对结构早期损伤超声非线性检测中损伤表征问题,发展了一种基于动态小波指纹的超声信号分析方法,从超声信号的动态小波指纹分布中提取出一种可用于结构早期损伤表征的超声非线性特征参数。研究了小波基函数及分析尺度对超声非线性效应提取效果的影响,优选出对结构早期损伤敏感的小波基函数以及尺度范围。将提出的动态小波指纹分析方法应用于二次谐波及混频非线性超声检测信号分析,结果表明,动态小波指纹分析方法可有效提取出检测信号中的二次谐波及混频分量,基于小波指纹分布的非线性特征参数可用于板结构中微裂纹的定量表征.本文研究工作为结构早期损伤超声非线性检测中的弱非线性效应提取作了有益探索。      

台阶板中兰姆波A0模式传播特性的光弹研究

为了研究变壁厚结构中兰姆波的传播特性，以K9玻璃制成的台阶板为波导，运用动态光弹法实现了兰姆波在阶梯板中传播过程的可视化。使用MATLAB对兰姆波的理论应力分布进行了仿真，将仿真结果与光弹图像相对比以进行模式识别。此外，根据兰姆波的动态光弹图像计算了特定模式的相速度，并与相速度频散曲线相对比，以支持模式识别的结果。对4mm-3mm和4mm-2mm厚度差台阶板进行了对比分析。研究发现在激励目标模式的兰姆波时，可能会出现非目标模式，并且兰姆波的模态转换与频散程度与台阶处的厚度差有关。本文的结果可对具有相同性质类似结构材料的无损检测提供参考。     

兰姆波非线性效应的实验观察(Ⅱ)

基于Ritec-SNAP系统对固体板中传播的兰姆波的非线性效应进行了实验观察。根据导波的模式展开分析方法和兰姆波的频散曲线,简述了兰姆波的积累二次谐波发生条件。采用一定倾角的斜劈换能器在固体板表面激发和接收兰姆波的基波和二次谐波时域信号,阐述了兰姆波的基波、二次谐波时域脉冲包络的积分振幅的物理意义,在固体板表面分别测量了不同传播距离的兰姆波的基波、二次谐波的幅频曲线。在兰姆波具有非线性效应的频率值附近,分析了兰姆波的二次谐波振幅随传播距离的变化关系。实验结果进一步证明了兰姆波在一定条件下具有强烈的非线性效应,其二次谐波表现出随传播距离积累增长的性质。     

基于频散补偿和分数阶微分的多模式兰姆波分离

由于兰姆波的多模和频散特性,实际检测时在同一激发频率下存在多种模式的混合信号,而各模式信号有不同的频散特性,使得在时频混叠的情况下兰姆波的检测变得十分复杂.本文在频散补偿的基础上,通过时延函数建模,依靠不同模式频散趋势的差异性,将时频混叠信号的分离问题转化为部分模式混叠信号的分离问题.基于分数阶微分的理论,用信号幅值谱分数阶微分极大值和对应频率分别与微分阶次拟合多项式实现特征参数的提取并依靠特征参数重建幅值谱.结合相位谱重构时域信号以实现部分混叠信号中频散补偿后的模式的分离.最后恢复频散获得分离后的兰姆波信号.仿真和实验结果表明,本文方法不仅可以实现时频混叠多模式兰姆波信号的分离,更能保证分离精度,有助于复杂多模式频散信号的分离与处理的进一步研究.     

用分数阶微分实现时频重叠多模式兰姆波的模式分离

为了分离时频重叠多模式超声兰姆波,提出了一种用分数阶微分理论实现多模式兰姆波模式分离的方法。以时频重叠的S1和A1模式混合信号为例,用赛利斯分布作为幅值谱的模型,首先对信号做频散补偿,由补偿后信号幅值谱分数阶微分推导了幅值谱特征参数的计算式并根据信号模型重建幅值谱,然后结合兰姆波的频散特性推导出对应的相位谱,并通过幅值谱和相位谱重构各模式的信号,实现模式分离。对1 mm钢板中仿真时频重叠的S₁和A₁模式信号分离结果显示分离出信号的幅值和带宽相对误差小于6%,中心频率相对误差小于0.25%。实验结果也证实了方法的可行性。因此当混合信号幅值谱不完全交叠时,本方法可以实现多模式兰姆波信号的分离,有助于多模式兰姆波频散信号的分析和识别。      

Micro-crack detection of nonlinear Lamb wave propagation in three-dimensional plates with mixed-frequency excitation

We propose a nonlinear ultrasonic technique by using the mixed-frequency signals excited Lamb waves to conduct micro-crack detection in thin plate structures. Simulation models of three-dimensional(3D) aluminum plates and composite laminates are established by ABAQUS software, where the aluminum plate contains buried crack and composite laminates comprises cohesive element whose thickness is zero to simulate delamination damage. The interactions between the S_0 mode Lamb wave and the buried micro-cracks of various dimensions are simulated by using the finite element method.Fourier frequency spectrum analysis is applied to the received time domain signal and fundamental frequency amplitudes,and sum and difference frequencies are extracted and simulated. Simulation results indicate that nonlinear Lamb waves have different sensitivities to various crack sizes. There is a positive correlation among crack length, height, and sum and difference frequency amplitudes for an aluminum plate, with both amplitudes decreasing as crack thickness increased, i.e.,nonlinear effect weakens as the micro-crack becomes thicker. The amplitudes of sum and difference frequency are positively correlated with the length and width of the zero-thickness cohesive element in the composite laminates. Furthermore,amplitude ratio change is investigated and it can be used as an effective tool to detect inner defects in thin 3D plates.     

采用单个压电传感器的单模式兰姆波激发频率的选择

考虑了压电传感器(PZT)与板之间的耦合作用,从理论上研究了单个压电传感器激发时产生单模式兰姆波的频率调节方法,实验给出了模式选择在兰姆波结构健康监测中的应用. 在板材、板厚以及PZT尺寸一定的情况下,从理论上能够预测到作为频率函数的各兰姆波模式的幅值变化. 根据某特定兰姆波模式的幅值最大而其他模式幅值相对最小时所对应的频率,即可识别出该兰姆波模式优化的激发频率. 数值仿真验证了理论的有效性以及单模式兰姆波选择的可能性. 在不同的激发频率下,分别激发了优化的A0 模式,优化的S0模式以及共存的A0和S0模 关键词： 兰姆波 压电传感器 激发频率 结构健康监测     

Microcrack localization using a collinear Lamb wave frequency-mixing technique in a thin plate

A novel Lamb wave frequency-mixing technique is proposed for locating microcracks in a thin plate,which does not require the resonance condition of Lamb wave mixing and can accurately locate the microcracks through only one-time sensing.Based on the bilinear stress-strain constitutive model,a two-dimensional finite element(FE)model is built to investigate the frequency-mixing response induced by the interaction between two primary Lamb waves and a microcrack.When two primary Lamb waves of A0 and S0 modes with different frequencies excited on the same side of the plate simultaneously impinge on the examined microcrack,under the modulation of the contact acoustic nonlinearity,the microcrack itself can be deemed as the secondary sound source and it will radiate the Lamb waves of new combined frequencies.Based on the time of flight of the generated A0 mode at difference frequency,an indicator named normalized amplitude index(NAI)is defined to directly locate the multi-microcracks in the given plate.It is found that the number and location of the microcracks can be intuitively visualized by using the NAI based frequency-mixing technique.It is also demonstrated that the proposed frequency mixing technique is a promising approach for the microcrack localization.     

超声导波的频散补偿与模式分离算法研究

超声导波已被广泛应用于无损检测与评价,针对超声导波应用中普遍存在的模式混叠与频散问题,本文在采用频谱相位与信号时延函数建模导波频散信号传递系统的基础上,提出了一种单一模式的频散补偿算法。进一步地,通过将选择性频散补偿技术与导波模式分离相结合,本文算法克服了传统补偿算法所不能解决的多模式导波频散问题。板中的Lamb波A0,A1和S0混合模式仿真分析表明,本算法不仅可用于单一导波模式信号合成与频散补偿,而且可在实现多模式混合导波信号选择性频散补偿基础上,解决多模式导波信号中单一模式提取与分离。本文研究有助于超声导波多模式频散信号的分析与处理.      

考虑频散效应的一维非线性地震波数值模拟

非线性理论是解决地学问题的重要手段, 充分认识非线性波动特征有助于解释实际观测资料中的一些特殊地震现象. 本文基于Hokstad改造的非线性本构方程, 利用交错网格有限差分法实现了固体介质中一维非线性地震波数值模拟; 采用通量校正传输方法消除非线性数值模拟中波形振荡, 提高模拟精度. 通过与解析解的对比验证了模拟结果的正确性. 研究结果显示了非线性系数对地震波的传播有重要影响, 并且当取适当的非线性和频散系数时, 地震波表现出孤立波的传播特性. 最后分析了不同的非线性地震波在固体介质中的传播演化特征.     

一种评价固体板材表面性质的非线性超声兰姆波方法

在基频与二倍频兰姆波相速度匹配但群速度失配的条件下, 通过选择适当的兰姆波二次谐波时域信号的测量起止时间, 可完全扣除换能器对二次谐波积分振幅测量所带来的影响。本文提出采用兰姆波二次谐波的积分振幅作为评价参量, 以实现对板材表面性质的准确评价。当板材表面性质发生改变时, 原本在理想表面条件下成立的基频与二倍频兰姆波相速度匹配的条件不再严格满足, 这将显著地影响到兰姆波的二次谐波发生效率, 相应的二次谐波积分振幅随表面性质的改变也将发生非常敏感的单调变化。实验结果表明,利用扣除换能器影响之后所测得的兰姆波二次谐波的积分振幅,可对板材表面性质的变化情况进行准确评价。     

Effect of the surface free energy on the behaviour of surface and guided waves

The aim of this paper is to evaluate the influence of the surface free energy upon the propagation of the eigenmodes of structures, by studying successively (a) the Rayleigh wave for an elastic half-space, (b) the Lamb waves for an elastic layer, and (c) the guided modes for a tri-layer structure (e.g., metal/adhesive/metal). The surface free energy is a parameter which appears in the jump conditions of stresses and displacements at each interface, and which consequently modifies the eigenmodes, solutions of the boundary conditions system. As expected, the Rayleigh wave is dispersive and its velocity increases when the surface free energy increases. In the same way, the velocity of Lamb waves also increases except at normal angle of propagation where the surface free energy does not arise. Moreover, near the Rayleigh angle, the behaviour of the A₀ and S₀ Lamb modes varies strongly according to the surface free energy. Similar results are observed for the tri-layer structure.