空气声换能器无损检测复合板材缺陷的实验和三维数值模拟

摘要

随着对复合材料需求的不断增加，急需发展相适应的无损检测及无损评估技术对材料中的缺陷进行检测，并对材料的健康状况进行评估。在此情况下，和非接触式空气换能技术相结合的导波技术，可以快速有效地对板和类似板的结构的整个厚度进行扫描，来检测缺陷。与此同时，通过和数值模拟相结合，尤其是针对实际情况的三维模拟，可以了解导波和缺陷之间的相互作用情况，还可以将数值模拟结果和实验结果进行比对来量化损伤的严重程度。本工作中应用的单面超声扫描技术使用一对空气声换能器，一个作为发射换能器产生激励源，另一个作为接收换能器检测声信号，在扫描过程中，两个换能器之间的距离固定，同时沿着一个方向移动，一发一收来检测试样。如果试样中存在缺陷，则接收换能器将检测到散射信号，这时，信号的幅值将会有所变化。由于零阶反对称A0模式在气一固界面处具有较高的垂直位移分量，易于空气声换能器激发及接收，本工作中均选择A0Lamb模式作为入射激励模式。同时，通过监测不同检测位置上接收信号幅值的变化，来指示缺陷的存在。在实验信号中采用的幅值是，检测得到的时域信号对应频谱上对应激励频率的幅值。相应地数值模拟，通过使用商业有限元软件根据实际实验情况的建立三维模型，在频域求解动力学平衡方程来求得更为精确的数值解。在模拟中，根据实际需要，考虑了材料的各向异性及粘弹性。空气声换能器产生的激励源通过作用在试样表面的垂直应力来模拟，而接收信号则通过对板表面对应区域中的垂直位移分量积分获得。由此，基于空气声换能器及Lamb波技术的无损检测系统得到了完整的模拟，模拟中考虑了换能器和缺陷的形状，以及入射及散射声束在实际传播中的扩散效应。由于三维模型的自由度数通常都很大，模拟中采用了不同的措施来减少模型的尺寸。一是使用改进的粘弹吸收区域来避免模拟无边界的平板，去除边界处的回波信号；二是利用对称及反对称边界条件来缩减模型。实验及数值研究首先通过两个简单的例子进行：一块中心有个贯通的圆孔的铝板，及一块有撞击缺陷的复合玻璃纤维板。实验激励频率大致和换能器的中心频率相符，为250 kHz，低于铝板A1模式的截止频率，但是高于复合板中A1模式的截止频率。第三个试样是EADS-ASTRIUM公司提供的复合结构罐装容器，其在钛金属内层及碳纤环氧外层之间通过插入Teflon来加工了一个脱粘缺陷。选择的激励频率为100 kHz，激励模式也由于结构的不对称性而并不是通常意义上的反对称A0模式，但是该模式的振型及和空气层较高的耦合度都显示其和单层板中的A0模式类似。另外，利用三维有限元模型针对以上三个试样模拟了接收换能器的输出信号幅值的变化，并进一步和实验结果进行比较。通过比较，数值模拟结果和实验结果相互吻合，基本一致。在此基础上，可以利用这一数值模型对该无损检测系统的参数进行优化，如换能器大小，距离，驱动频率等，以期降低实验成本；同时，还能对该系统的局限性提供预估，如可检测缺陷的位置及最小尺寸。关键词：空气声 无损检测 有限元 三维模拟

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声明

第一章 绪论

1导波技术

2有限元模拟

3本论文的研究内容

第二章板中的弹性波

1单层板中的两维导波传播特性

1.1 各向同性单层板

1.2 各向异性单层板

1.3 多层结构板中的波

2三维柱坐标系下各向同性板中的导波声场

3 小结

第三章有限元模拟

1.各向异性单层板中导波的二维有限元模拟

1.1 PDE方程及边界条件的COMSOL形式

1.2 激励源和边界条件

1.3 吸收区域

1.4 缺陷的模拟

2各向异性单层板中导波的三维有限元模拟

2.1 PDE方程及边界条件的三维设置

2.2 精简模型

2.3 网格划分

3 小结

第四章 实验系统及方法

1 实验原理和系统

1.1 导波的激发与接收

1.2 信号采样和傅立叶变换

1.3 空气声换能器和扫描系统

2技术及应用

2.1 单面扫描技术

2.2 测量频散曲线

3 小结

第五章 三维数值模拟及实验结果

1实验系统的三维数值模拟

1.1 激励源的数值模拟

1.2 接收换能器的模拟

1.3 扫描过程模拟

2 实验及模拟结果

2.1 带孔铝板

2.2 复合材料板

2.3 复合结构容器

3 小结

第六章 结论

1论文总结

2下一步的工作

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果