电磁加载下金属闭合裂纹的声响应特性分析

摘要

金属构件从制造到使用过程中，往往会在其内部或者表面产生微小疲劳缺陷。闭合裂纹作为疲劳缺陷的常见形式，由于其裂纹界面的接触特性，使得常规超声检测效果较差。为了更好地对金属闭合裂纹实现有效检测，本课题将电磁加载方法应用于闭合裂纹的超声检测中，以有助于提高闭合裂纹的检出率。 首先，研究分析电磁加载下金属板电磁场、力场和位移场的多物理场耦合理论，给出了基于洛伦兹力原理的电磁加载耦合方程；推导了闭合裂纹的二阶非线性波动方程，根据波扰动原理对板状结构的非线性声学调制过程进行了近似求解。 其次，对电磁超声和电磁加载过程进行了有限元仿真和实验验证；建立了含有迟滞特性的闭合裂纹界面力模型，构建了电磁加载作用下闭合裂纹对电磁超声产生调制的多物理场耦合模型，仿真分析了电磁加载下金属闭合裂纹的声响应特性。 最后，实验验证了电磁加载下金属闭合裂纹对超声传播过程的影响，并研究了电磁加载参数对超声调制效果的影响特性，实现了对金属闭合裂纹的有效检测。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 研究现状

1.2.1 超声检测技术

1.2.2 非线性超声检测技术

1.2.3 闭合裂纹的无损检测

1.3 本课题研究意义

1.4 本文的主要研究内容

第二章 电磁超声的检测原理及分析

2.1 电磁超声的换能机理及基本方程

2.1.1 基于洛伦兹力机理的电磁超声

2.1.2 基于磁致伸缩机理的电磁超声

2.2 电磁超声有限元仿真及实验验证

2.2.1 激励线圈的结构设计

2.2.2 EMAT激励端仿真分析

2.2.3 EMAT激励周期数的仿真及实验

2.3 本章小结

第三章 金属闭合裂纹的建模与仿真分析

3.1 闭合裂纹的非线性分析模型

3.1.1 闭合裂纹的二阶非线性方程

3.1.2 闭合裂纹的非线性超声波动方程

3.2 闭合裂纹建模与仿真分析

3.2.1 闭合裂纹的界面力模型

3.2.2 裂纹界面波动对二次谐波的影响

3.2.3 闭合裂纹的界面力模型参数对模型性能的影响

3.3 本章小结

第四章 电磁加载下金属闭合裂纹的声响应特性

4.1 闭合裂纹的非线性超声的调制原理

4.1.1 闭合裂纹的非线性超声调制方程

4.1.2 基于非线性弹簧模型的闭合裂纹振动调制方程

4.2 电磁加载下闭合裂纹的非线性超声调制仿真

4.2.1 电磁加载下完好金属板的涡流场分布

4.2.2 电磁加载下含闭合裂纹金属板的电磁场分布

4.2.3 电磁加载下含闭合裂纹金属板的超声传播特性

4.2.4 激励参数对非线性超声调制的影响

4.3 本章小结

第五章 电磁加载下金属闭合裂纹的声响应特性的实验研究

5.1 试件的制备

5.1.1 基本材料属性和力学参数

5.1.2 试件的制作及加载实验

5.2 电磁加载条件下金属闭合裂纹的实验研究

5.2.1 主要实验装置及参数

5.2.2 电磁加载下含闭合裂纹金属板超声传播实验

5.2.3 加载电流对超声传播特性的影响

5.3 本章小结

第六章 结论

6.1 全文工作总结

6.2 课题展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果

致谢