基于频率-波数域分析方法的金属板损伤检测与评估

摘要

各类工程结构中广泛使用的板、壳等结构，在长期的服役过程中受设计和生产过程中瑕疵的影响以及外界荷载、环境腐蚀等因素的作用，容易产生腐蚀，疲劳等损伤，随着损伤不断的累积，最终必将导致工程结构的失效、损坏，甚至引发严重的工程事故。相比于各类常规检测方法，基于超声导波的结构损伤检测方法具有检测范围大、对各类微小损伤敏感等优势，但是受限于接触式换能器阵列驱动/传感方式，难以对损伤的特征进行评估。本文采用多普勒激光测振仪对结构进行非接触式阵列自动扫描，提取含损伤特征的超声Lamb波场信号，应用空间-波数域的分析方法可以对损伤进行准确的定位与评估检测。本文所形成的非接触式结构损伤检测方法有望应用于板状工程结构的实际检测，为各类设备长期安全、稳定的工作下去提供可靠的理论依据。本文的主要工作如下：
　　首先，介绍了常规无损检测的手段以及板类结构中超声检测的一般方法，阐述了Lamb波的基本理论和信号处理技术，讨论了加窗分析和多维傅里叶变换为后续的板类结构损伤检测与成像提供理论基础。
　　其次，采用COMSOL Multiphysics仿真平台对Lamb波在板类结构中的传播情况进行模拟，分别对三维模型进行网格扫描，以及二维模型进行单排点扫描，分别提取超声导波场信号。对所提取的信号，首先进行加窗分析，然后进行多维傅里叶变换，最后基于频率波数域成像算法进行成像，分析得到的损伤位置、损伤大小，并且和模型所设置的损伤参数相对比，验证频率波数域超声导波场损伤检测方法的有效性。
　　最后，通过构建板类结构损伤检测实验平台，应用扫描式多普勒激光测振仪对结构进行非接触式的自动扫描，得到高分辨率的超声导波场信号，应用所构建的频率波数域超声导波场损伤检测方法以检测损伤；与数值计算结果相比较，确定此方法的可行性和定位的准确性，并且讨论了该方法在实际工程结构损伤检测中的应用前景。

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第一章 绪论

1.1课题来源

1.2研究背景

1.3国内外研究趋势

1.4本文主要工作

第二章 超声导波检测基本理论

2.1概述

2.2超声导波特性

2.3基于超声导波的结构损伤非接触成像理论

2.4本章小结

第三章 数值模拟

3.1概述

3.2有限元模型

3.3二维模型局部波数域的波场成像分析

3.4三维模型局部波数域的波场成像分析

3.5二维模型成像与三维模型成像结果对比

3.6本章小结

第四章 实验研究

4.1概述

4.2实验平台的搭建

4.3实验结果的分析与讨论

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

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