基于多通道时间反转Lamb波的铝板小缺陷检测

超声Lamb波具有传播距离远、衰减小等特点,广泛应用于板结构的无损检测。将Lamb波检测技术与时间反转理论相结合,能提高铝板中小缺陷的检测能力。采用多通道时间反转板中Lamb波聚焦方法对1mm厚的铝板中直径0.8mm通孔缺陷进行检测,检测结果显示多通道时间反转检测信号中形成了两处明显的聚焦,即直达波和缺陷回波聚焦,证明此方法有效提高了检测分辨铝板小缺陷的能力。最后通过直达波、缺陷回波两处聚焦的时间差和Lamb波S_0模态群速度,准确实现了铝板中小缺陷的定位。多通道时间反转Lamb波聚焦方法不仅得到了缺陷检测回波,而且准确实现了缺陷的定位,达到了提高铝板中小缺陷检测能力的目的。     

Lamb波理论及层合板冲击损伤的实验研究

从理论上分析了板中Lamb波信号的传播特性,并给出Lamb波在板中传播的频散方程。理论分析及实验均表明,Lamb波的频散特性与复合材料结构损伤有着直接的联系,而且最低阶的对称和反对称Lamb波模态对层合板的损伤比较敏感,但应用Lamb波的频散效应监测结构的损伤在检测技术上还难以实现。根据板中导波形成Lamb波的共振原理,板中应力波的幅频特性很大程度上反映了Lamb波的谐振特征。因此,利用压电元件的压电阻抗谱分析应力波的各阶模态频率及振幅对结构损伤的变化,能够反映材料内部损伤与Lamb波的频散特性。文中针对表面粘贴压电元件的层合板智能结构,建立了包含Lamb波谐振模式的压电阻抗计算模型。冲击损伤试件的实验表明,由于结构损伤的出现压电阻抗谱中的模态频率及其阻抗幅值等特征信息将发生变化。因此,引入应力波损伤因子可以对结构冲击损伤的存在和程度进行初步评价。该方法基于结构的机-电动态阻抗特性,不受结构的几何形状限制,测试用的压电元件成本低,方法简单可行,有望在智能结构的健康诊断方面获得应用。     

功能梯度材料板中Lamb波传播特性研究

对材料性能参数沿厚度连续变化的横观各向同性热应力缓和型功能梯度材料板中Lamb波的传播问题,采用幂级数法,求得其相速度方程.借助数值算例,分析了参数梯度变化对Lamb波频散曲线的影响,并与相应陶瓷板和金属板中的频散曲线进行了对比.进一步研究了参数梯度变化对波结构的影响,揭示了Lamb波在这种非均质板中的传播行为,所得结果可以为功能梯度材料及结构的超声表征与检测提供理论依据.     

板背部缺陷的单侧非接触式超声无损检测方法

随着板状结构在石化、航空航天和电力等工业领域中的广泛应用,急需发展相应的无损检测技术,对其结构完整性进行定期评估,以保证结构的安全运行。基于空气耦合换能器的Lamb波技术,可以非接触快速地对板状结构进行扫描,在结构安全检测领域有广阔的应用前景。本文采用基于势函数法的空气耦合板状结构声传播模型,通过理论求解得到其Lamb波临界角随频厚积的变化规律。实验中采取空气耦合换能器激发和接收Lamb波,采用傅里叶变换和信号滤波技术识别S0和A0模式,并通过与理论结果比较进行确认。最后,分别采用S0和A0模式对板背部半通孔缺陷进行定位,结果显示该单侧非接触式超声无损检测方法可用于板状结构背部缺陷的检测。     

Lamb波在复合材料板中传播的谱有限元模拟

众所周知Lamb波在复合材料中的传播呈各向异性的特点,经典有限元法模拟这类问题效率不高,所以,本文采用谱有限元法进行研究。先建立了一种新的谱有限板单元,该单元以Gauss-Lobatto-Legendre点作为节点,使质量矩阵是对角矩阵;另外,该单元采用了扩展的位移场,能够较好地模拟板结构的三维特性。然后,对复合材料板结构中Lamb波在对称模式与反对称模式下的传播速度进行了求解,将计算结果与Mindlin板谱单元的结果以及三维弹性理论的结果进行了比较,并讨论了Lamb波在反对称层合板中的传播特点。最后,模拟了Lamb波在含和不含损伤复合材料层合板中的传播,数值结果表明所建立的谱有限板单元可以较好地模拟出Lamb波在复合材料板结构中的传播特性。     

Lamb波频域逆散射全聚焦成像方法研究

Lamb波因其传播距离远、衰减小常被用于板状结构的无损检测中,在基于Lamb波损伤检测的诸多成像技术中,全聚焦方法(Total Focus Method,TFM)方法因其成像分辨率高、信噪比高而受青睐.然而Lamb波的频散效应导致时域延时量不能被准确计算,进而影响传统TFM方法对损伤定位及成像的精度;此外,既有的TFM...     

正交各向异性板中非主轴方向的Lamb波

基于线性三维弹性理论,采用勒让德正交多项式展开法,推导了波沿正交各向异性材料非主轴方向传播时的Lamb波耦合波动方程,并对耦合波动方程进行了数值求解.为验证该方法的适用性和正确性,首先将此方法应用于各向同性材料,并与已知的数据结果进行了比较;然后以单向纤维增强复合材料为例,计算了耦合Lamb波沿不同的非主轴方向传播时的相速度频散曲线,并分别研究了传播方向改变时低阶模态Lamb波和高阶模态Lamb波频散特性的变化.最后,针对潜在用于各向异性复合材料结构健康监测的耦合Lamb波低阶模态,给出了其在不同传播方向时的相速度分布和群速度分布.同时,结合低阶模态Lamb波的位移分布特性和材料的各向异性特点,阐释了S0模态对波的传播方向变化最为敏感的原因.     

去除Lamb波频散的线性映射法

Lamb波常被用于板壳结构的无损检测,然而Lamb波的频散效应会导致板中损伤反射信号的渡越时间信息无法准确提取,因而影响损伤定位及成像的精度。本文引入线性映射方法,用线性频率-波数关系取代原有非线性的频散关系,从而去除激励中心频率附近的频散效应。分别采用数值模拟和实验的方法分析了频散去除的效果,进而结合相控阵成像算法对金属板中的损伤进行成像研究。结果表明,利用线性映射法去除频散可以显著提高含损伤散射信号的信噪比,提升相控阵损伤成像方法对损伤定位的准确性。     

基于同心压电传感器的单模态Lamb波信号提取方法

Lamb波具有传播范围远、对小损伤敏感等优点,适用于飞机机翼、壁板等大面积结构的损伤检测,然而Lamb波的频散和多模态特性使得单模态难以识别和解析信号。本文提出一种适用于板壳结构损伤检测的单模态提取方法,设计并使用一种同心压电传感器,根据所激励各模态的幅值比来分解信号并补偿时间差,从而提取出单一模态的信号。通过仿真分析和铝板实验验证,结果显示本方法能够有效提取单一A_0模态信号,并在实验中成功识别了隐藏的裂纹损伤反射回波信号,使信号相对于传统方法变得更易解释和分析。     

相位谱线性重构法去除Lamb波频散研究

Lamb波广泛应用于板壳结构的损伤检测,而Lamb波的频散效应使得板结构中损伤散射信号的渡越时间信息难以准确提取,因而影响了阵列波束成形损伤成像算法对损伤成像定位的效果和精度.提出的相位谱线性重构法,在中心频率处通过对相位谱展开,进行线性化处理,有效地去除了激励信号中的频散效应.该方法保证了中心频率下的信号分量不变,为研究阵列波束成形损伤成像算法对损伤精确成像奠定了基础.采用数值模拟和实验手段,验证所提出的相位谱线性重构法去除频散的效果,进而结合阵列波束成形损伤成像方法分析损伤成像定位的效果和精度.结果 表明,采用的频散去除方法能够提高损伤散射信号的信噪比,提升阵列波束成形损伤成像方法对损伤成像定位的效果和精度.     

Nonlinear Lamb waves in plate/shell structures

鉴于常规超声检测技术对分布式材料细微损伤和接触类结构损伤的检测效果不佳,近年来非线性超声技术逐渐引起广泛关注.超声波在板壳结构中通常以兰姆波的形式进行传播,然而由于兰姆波的频散及多模特性,使得非线性兰姆波的理论和实验研究进展缓慢.本文从经典非线性理论出发,总结了源于材料固有非线性诱发的非线性兰姆波的理论和实验两个方面的研究进展,并综述了兰姆波的二次谐波发生效应在材料损伤评价方面的若干应用;从接触声非线性理论出发,讨论了目前由于接触类结构损伤诱发的非线性兰姆波的研究现状.最后展望了非线性兰姆波的未来研究重点及发展趋势.     

基于频率-波数域偏移的损伤被动成像识别研究

提出了一种应用Lamb波对板结构中多部位损伤源进行被动成像识别的方法.基于Mindlin板理论,推导了板结构中弥散性Lamb波频率-波数域的快速偏移方法,结合爆炸成像原理,对损伤源发出的Lamb波信号进行回传成像.由于损伤源的发生时刻未知,将使用不同假设发生时刻(即不同长度)的Lamb波信号生成一系列图像,通过最小熵原理从中确定最优图像,识别出损伤源的位置和发生时刻.进行了数值仿真研究来表明所提出方法的有效性.     

Nondestructive testing method based on lamb waves for localization and extent of damage

Based on Lamb wave analysis of propagation in plate-like structures, a damage detection method is proposed that not only locates the position of the damage accurately but also estimates its size. Similar damage detection methods focus only on localization giving no quantitative estimation of extent. To improve detection, we propose two predictive circle methods for size estimation. Numerical simulations and experiments were performed for an aluminum plate with a hole. Two PZT configurations of different sizes were designed to excite and detect Lamb waves. From cross-correlation analysis, the damage location and extent can be determined. Results show that the proposed method enables a better quantitative resolution in detection, the size of the inspection area influences the accuracy of damage identification, and the closer is the inspected area to the damage, the more accurate are the results. The method proposed can be developed into a multiple-step detection method for multi-scale analysis with prospective accuracy.     

板壳结构中的非线性兰姆波

鉴于常规超声检测技术对分布式材料细微损伤和接触类结构损伤的检测效果不佳,近年来非线性超声技术逐渐引起广泛关注.超声波在板壳结构中通常以兰姆波的形式进行传播,然而由于兰姆波的频散及多模特性,使得非线性兰姆波的理论和实验研究进展缓慢.本文从经典非线性理论出发,总结了源于材料固有非线性诱发的非线性兰姆波的理论和实验两个方面的研究进展,井综述了兰姆波的二次谐波发生效应在材料损伤评价方面的若干应用;从接触声非线性理论出发,讨论了目前由于接触类结构损伤诱发的非线性兰姆波的研究现状.最后展望了非线性兰姆波的未来研究重点及发展趋势.     

Characterization of Laser Generated Lamb Wave Modes after Interaction with a Thickness Reduction Discontinuity Using Ray Tracing Theory

The effect that a circular discontinuity (due to thickness reduction) in an Aluminum plate has on the direction of Lamb wave propagation was experimentally and theoretically studied. Broadband Lamb waves were generated by a pulsed Nd:YAG laser and optically detected with a photo-EMF detector to increase spatial resolution. The experimental results show that thickness reduction modifies the time of flight (TOF) for S0 and A0 vibration modes and generates a change in direction of the ultrasonic Lamb wave. The change in the TOF as a function of distance and thickness reduction was numerically determined using ray theory and then compared to experimental results. It is shown that the change in the direction of propagation depends on the vibrational mode and frequency of the Lamb waves and this can affect the detection and characterization of a hidden discontinuity.     

Numerical modeling of PZT-induced Lamb wave-based crack detection in plate-like structures

This paper presents the numerical modeling and simulations of PZT-induced Lamb wave propagation in plate-like structures by using the spectral finite element method. A novel spectral plate finite element, which can efficiently model the three-dimensional (3D) behavior of Lamb waves, is proposed. In the formulation, linear displacement distributions in the thickness direction are assumed for both the PZT layer and the base plate. A way to avoid the thickness locking is proposed and used in the formulations. Two examples, one for the validation of the proposed two-dimensional (2D) spectral finite element and the other for the demonstration of crack detection in plates, are presented and discussed. The contact between the two faces of crack is considered. Numerical results show that (1) only the anti-symmetric mode is prone to thickness locking thus remedy should be made only on this part, (2) the proposed 2D spectral finite element can adequately model the Lamb wave propagation in plate-like structures and the complex scattering for the crack, and (3) crack location can be well determined by a PZT-induced Lamb wave-based diagnosis algorithm.