金属薄板的兰姆波成像检测方法研究

摘要

薄板在航空航天、汽车制造和压力容器等工业领域有着广泛的应用。超声兰姆波方法是检测薄板缺陷的有效手段。与传统的点对点应用超声体波（纵波和横波）的检测方法相比，兰姆波检测具有一处激励大面积传播的优势，检测快捷高效。兰姆波成像检测方法是提高兰姆波检测定位定量精度的有效技术，有关成像算法和技术方法已成为此领域的研究重点。本文主要研究的是薄板件兰姆波成像检测方法。
　　采用兰姆波检测板材时，模式的选择很关键，应用超声兰姆波检测薄板，首先应分析兰姆波在薄板中的传播模式，从而选择激励合适的模式。由于在应用跨孔扫描时，采用倾斜入射方式产生兰姆波对探头的转动布设和角度分布有很高的要求。因此，本课题提出采用纵波直探头垂直激发兰姆波的方式。为了清楚了解兰姆波的传播特性，本课题采用二维傅立叶方法对薄板中超声波的传播方式予以了模式识别。并结合有限元方法，给出了兰姆波在薄板中传播的波场快照图，以便能更好的了解兰姆波的传播特性通过求解兰姆波的频率方程，绘制频散曲线，综合理论计算和模式识别分析，选择采用A0模式兰姆波检测薄板。
　　基于兰姆波的波速与板厚间的依赖关系，将跨孔扫描技术引入对板状结构的兰姆波扫描成像。根据声波层析成像原理，对检测区域划分网格，求解网格中声波射线路径，并获得它与对应慢度（群速度的倒数）的关系，建立薄板兰姆波成像的数学模型。在成像算法上，通过分析代数重建方法（ART）的不足，从而引入了地震层析技术中的联合迭代重建算法（SIRT）完成兰姆波成像检测。运用有限元模拟了兰姆波在薄板表面激发和传播的过程，结合成像检测技术，实现单层铝板和层状板的成像检测。针对成像检测方法，分析不同因素对兰姆波成像效果的影响。有限元模拟研究验证了兰姆波成像检测方法的可行性，为实验中探头选取、探头布置、数据处理及成像检测提供了有益的参考。
　　在实验上，采用低频纵波直探头垂直激发兰姆波成像检测薄铝板，分析纵波直探头的性能，采用希尔伯特-黄变换和低通滤波等信号处理方法提取A0模式兰姆波的走时，基于成像检测方法，形成缺陷图像。针对直探头的不足，从实时兰姆波检测技术和结构健康监测技术发展考虑，进一步采用粘贴压电元件激发产生兰姆波，提取了两组低频信号对薄板予以了成像检测，成像结果与数值模拟一致。压电元件的使用也为后续层合板的兰姆波成像检测提供了基础。
　　兰姆波成像检测技术并不成熟，本文的研究工作为薄板的兰姆波成像检测的应用提供一定的参考。

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第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2课题及相关领域的国内外现状及发展

1.3课题的主要研究内容

第二章 兰姆波的基本理论

2.1 概述

2.2 兰姆波的传播特性

2.3 兰姆波成像理论

2.4 本章小结

第三章 板中纵波直探头激发兰姆波模式分析

3.1 概述

3.2 二维傅立叶变换理论

3.3 有限元算法及ABAQUS软件简介

3.4 纵波直探头激发兰姆波模式识别

3.5 兰姆波模式选择

3.6 本章小结

第四章 兰姆波成像技术研究

4.1 概述

4.2 兰姆波成像方法

4.3 跨孔兰姆波扫描

4.4 射线路径的求解

4.5 成像方程组的求解

4.6 本章小结

第五章 兰姆波成像检测的有限元模拟

5.1 概述

5.2 铝板成像检测有限元模拟

5.3 复合层板成像检测有限元模拟

5.4 成像效果分析

5.5 本章小结

第六章 兰姆波成像检测的实验分析

6.1 概述

6.2 直探头激发兰姆波成像检测

6.3 压电晶片激发兰姆波成像检测

6.4 小结

第七章 结论和展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况

致谢

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