基于非线性超声的金属疲劳损伤检测及定位研究

摘要

金属零部件在循环载荷的长期作用下，势必会出现金属疲劳现象，若不及时处理会造成金属失效而突然断裂，造成重大灾难事故，产生大量的人力、财力损失。本文以6061-t6铝合金薄板和5A06铝合金薄板为研究对象，采用非线性超声无损检测技术，利用超声波在铝板中进行传播时所产生的非线性特征—高次谐波，经数据处理，提取非线性系数β，进行铝板疲劳程度检测评估，能够检测出铝板的早期疲劳，对其剩余使用寿命进行预测，从而发现潜在的威胁，避免疲劳断裂事故的发生。
　　超声Lamb波具有传播距离长、探测能力强、信号信息丰富等特点，十分适合进行基于非线性超声检测的铝合金薄板疲劳损伤检测及定位算法的研究。具体内容包括：
　　对Lamb波的传播模式和频散特性进行深入理解，并利用Matlab数值方法绘制两种铝板的相速度频散曲线、群速度频散曲线及激发角曲线，激励特定模态的Lamb波；研究二次谐波累积的条件；并推导超声非线性系数的表达公式；研究设计金属疲劳损伤非线性超声检测的整体方案。
　　利用ABAQUS有限元软件对铝合金薄板疲劳损伤的非线性超声检测进行仿真，观察Lamb波在铝板中的传播情况及疲劳损伤产生的超声波非线性现象。
　　制备6061-t6铝板和5A06铝板两种试件；并搭建非线性超声实验系统，确定各模块的参数设置、激励信号的形式；选择合适的压电换能器和耦合剂。
　　随着传播距离的增加，相对非线性系数呈近似直线增大，证明了二次谐波非线性随传播距离的累积效应；随着传感路径距疲劳位置偏移距离的增大，相对非线性系数急剧减小，为后续定位算法的研究提供了理论依据；铝板表面性质对非线性超声检测有很大的影响，实验时应保证铝板表面性质的一致性；脉冲反转法在非线性超声检测中能够有效的提取二次谐波信号；相对非线性系数对于疲劳损伤程度的变化非常敏感，能够利用相对非线性系数来表征试件的疲劳损伤程度。
　　研究了试件中疲劳损伤位置的定位问题，提出三种定位算法，并对比分析了各定位算法的优缺点。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 疲劳损伤检测技术的发展

1.3 基于非线性超声的疲劳损伤检测技术的国内外研究现状

1.4 论文的主要研究内容

第2章 金属疲劳损伤非线性超声检测方法研究与整体方案设计

2.1 非线性超声检测激励信号频率的选择

2.2 非线性超声检测表征参数的选择

2.3 非线性超声检测整体方案设计

2.4 本章小结

第3章 金属疲劳损伤非线性超声检测有限元仿真

3.1 ABAQUS有限元仿真系统的搭建

3.2 ABAQUS有限元仿真结果

3.3 本章小结

第4章 金属疲劳损伤非线性超声检测系统搭建

4.1 试件制备

4.2 非线性超声检测系统搭建

4.3 本章小结

第5章 非线性超声实验结果处理与分析

5.1 非线性超声实验系统性能测试

5.2 超声耦合剂的选择

5.3 相对非线性系数与超声波传播距离关系研究

5.4 相对非线性系数与传感路径偏移微裂纹距离关系研究

5.5 铝板表面性质对非线性实验影响的研究

5.6 脉冲反转法在铝板疲劳损伤非线性超声检测中的应用

5.7 相对非线性系数与疲劳损伤程度关系的研究

5.8 疲劳损伤定位算法研究

5.9 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢