基于非线性超声的铝合金薄板疲劳程度检测

摘要

铝合金薄板在受到外部加载或使用环境的变化影响的时候，会导致金属内部应力发生变化，这种变化久而久之会引起材料疲劳，然后形成裂纹，不及时处理会造成金属失效甚至发生严重破损事故。若能在金属失效最开始阶段对金属疲劳程度作出准确检测将会最大程度的降低损失。相对于传统超声检测方法只能检测宏观缺陷的不足，非线性超声检测方法具有测量分辨率高、对材料疲劳程度敏感的特点。
　　超声Lamb波因其信号信息丰富、探测能力强、传播距离长等特点，使其非常适合进行基于非线性超声技术的铝合金薄板疲劳程度检测。本文首先详细阐述了Lamb波的传播模式以及频散特性，用MATLAB数值方法画出了已知横波与纵波波速时的铝合金板材相速度频散曲线和群速度频散曲线；然后研究了一维非线性波动理论模型并对Lamb波的非线性效应进行了理论分析，进而推导出了产生明显Lamb波非线性效应的必要条件；过程中引入了STFT时频分析方法用来判断接收信号中的Lamb波模态。本文分别对发射信号的调节、滤波器的使用、二次谐波的提取算法、探头的频率响应、耦合剂的选用标准、实验系统参数的调整等影响检测结果的关键因素进行了详细的实验研究。
　　本文的主要结论有：选择适当的基频 Lamb波，使其相速度与某一二倍频Lamb波模式的相速度相等或近似相等才能产生明显的非线性效应。通过调整发射探头与接收探头的角度，可以激发并接收到特定模态的Lamb波。利用超外差相敏检波技术计算滤波后的二次谐波幅值作为A2，滤波前的基频幅值作为A1，对同一个点测量多次，求拟合后的直线的斜率作为其真实非线性系数，这种方法的可信度最高；相比黄油和医用超声耦合剂，用甘油做耦合剂的实验重复性最好。在宏观损伤检测方面，基于线性扫差技术的Lamb波超声检测方法表现良好，然而在疲劳损伤检测方面，基于非线性超声检测方法要比传统线性扫查方法更具优势。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2金属结构健康检测与非线性超声理论简介

1.3基于非线性超声理论的金属板材疲劳检测研究现状

1.4论文的主要研究工作与内容安排

第二章 基于Lamb波的非线性超声理论基础

2.1 Lamb波概述及其频散效应

2.2固体中的非线性动力学基础

2.3 Lamb波非线性效应

2.4基于STFT的Lamb波时频分析方法

2.5本章小结

第三章 检测系统搭建

3.1实验系统简介

3.2 Lamb波非线性实验测试系统

3.3试验试件制备

3.4本章小结

第四章 非线性超声实验结果与分析

4.1影响实验稳定性的关键因素

4.2超声Lamb波的非线性超声实验观察

4.3基于Lamb波的非线性超声铝合金薄板疲劳程度检测

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1本文总结

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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