【摘要】：隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展,金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)中長(zhǎng)期滿負(fù)荷工作,其結(jié)構(gòu)難免受到不同程度的損傷。金屬材料結(jié)構(gòu)的變化將給我們的工業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)這些金屬材料進(jìn)行快速檢測(cè),出現(xiàn)了一種新的檢測(cè)方法-激光超聲技術(shù)。激光超聲技術(shù)以其遠(yuǎn)距離、非接觸、高靈敏度、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn),得到了人們的廣泛關(guān)注和研究。本文主要采用有限元數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了激光激發(fā)的超聲波在材料缺陷中的傳播特性,同時(shí)采用掃查式激光超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)奧氏體不銹鋼及鋁合金材料中存在的缺陷進(jìn)行可視化檢測(cè)。本文的研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面:根據(jù)激光產(chǎn)生超聲波的熱彈運(yùn)動(dòng)方程及熱傳導(dǎo)方程,采用有限元技術(shù)對(duì)方程進(jìn)行求解,得到超聲波傳播圖像。當(dāng)聲表面波經(jīng)過近表面缺陷時(shí),聲表面波與近表面缺陷之間產(chǎn)生一種振蕩效應(yīng),通過近表面缺陷的振蕩波幅值存在一個(gè)先增大后減小的過程。當(dāng)聲表面波經(jīng)過不同深度的近表面缺陷時(shí),振蕩信號(hào)的中心頻率存在一定的變化規(guī)律。數(shù)值仿真結(jié)果表明:當(dāng)近表面缺陷深度從0.1mm變化到0.5mm時(shí),振蕩效應(yīng)產(chǎn)生的振蕩信號(hào)中心頻率從0.4MHz變化到0.76MHz,振蕩信號(hào)中心頻率與近表面缺陷深度呈近似線性關(guān)系,這為近表面缺陷的深度檢測(cè)提供了條件。采用有限元方法模擬了掃查激光源對(duì)含有表面缺陷材料進(jìn)行掃查,由于材料缺陷的存在,通過缺陷位置和無缺陷位置處的縱波最大峰值時(shí)間不同。根據(jù)縱波最大峰值時(shí)間不同,得到縱波B掃圖及傳播圖像,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)搭建一套掃查式激光縱波檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)不同寬度、不同深度、不同形狀的表面缺陷進(jìn)行一維掃查和二維掃查,得到了激光源在材料中產(chǎn)生的縱波B掃圖及傳播圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:這種掃查式激光縱波檢測(cè)技術(shù)能對(duì)不同寬度、不同深度的表面缺陷定量檢測(cè)。采用有限元方法模擬了掃查激光源在表面缺陷中激發(fā)超聲波的理論模型,分析了聲表面波在缺陷位置處的波形變化,經(jīng)過缺陷位置處的聲表面波最大幅值存在一個(gè)先增加后減小的過程。同時(shí)搭建掃查式激光聲表面波檢測(cè)系統(tǒng),根據(jù)超聲波傳播的互易性原理,得到激光在材料中激發(fā)的聲表面波傳播圖像,實(shí)現(xiàn)對(duì)材料缺陷的可視化檢測(cè)。針對(duì)鋁合金材料和奧氏體不銹鋼材料中的缺陷位置、大小無法檢測(cè)這一問題,提出了一種基于Wigner-Ville分析的算法,并與現(xiàn)有的其他算法進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:這種算法不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料缺陷的位置檢測(cè),還可以直觀高效的對(duì)缺陷大小、形狀進(jìn)行初步檢測(cè)。同時(shí)針對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫中缺陷無法定量檢測(cè)這一問題,提出了一種快速離散正弦變換的算法,并與傳統(tǒng)快速傅里葉變換的算法進(jìn)行比較分析得出,這種快速離散正弦的算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料缺陷的大小檢測(cè)。最后搭建了基于非接觸的掃查式激光聲表面波檢測(cè)系統(tǒng),通過還原激光源在材料中產(chǎn)生的聲表面波振動(dòng)圖像,初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料缺陷的位置及大小進(jìn)行檢測(cè)。本文的研究成果將為激光超聲技術(shù)在材料缺陷檢測(cè)中的研究提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù),同時(shí)也助于激光超聲波成像技術(shù)在無損檢測(cè)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。
[Abstract]:With the rapid development of modern industrial technology, metal materials work at full load for a long time in industrial production, and their structures are unavoidably damaged to varying degrees. Laser ultrasonic technology. Laser ultrasonic technology has attracted extensive attention and research because of its advantages of long distance, non-contact, high sensitivity and wide frequency bandwidth. In this paper, the propagation characteristics of laser-excited ultrasonic wave in material defects are studied by means of finite element numerical calculation and experiment, and scanning laser ultrasonic technology is also used. The research contents and innovations of this paper mainly include the following aspects: According to the thermoelastic motion equation and heat conduction equation of laser-generated ultrasonic wave, the finite element method is used to solve the equation and get the ultrasonic propagation image. When SAW passes through near-surface defects, there is an oscillatory effect between SAW and near-surface defects, and the amplitude of oscillatory waves increases first and then decreases. When SAW passes through near-surface defects with different depths, the central frequency of oscillatory signals changes regularly. The results show that the center frequency of oscillation signal changes from 0.4 MHz to 0.76 MHz when the depth of near-surface defect changes from 0.1 mm to 0.5 mm. The relationship between the center frequency of oscillation signal and the depth of near-surface defect is approximately linear, which provides a condition for the depth detection of near-surface defect. Because of the existence of material defect, the maximum peak time of longitudinal wave at the defect location and the defect-free location is different. According to the different peak time of longitudinal wave, the B-scan and propagation images of longitudinal wave can be obtained, which can be used to detect material surface defect. In this system, one-dimensional scanning and two-dimensional scanning of surface defects with different widths, depths and shapes are carried out, and P-wave B-scan and propagation images produced by laser source in materials are obtained. Finite element method is used to simulate the theoretical model of ultrasonic wave excited by scanning laser source in the surface defect.The waveform change of surface acoustic wave at the defect location is analyzed. Based on the principle of reciprocity of propagation, the propagation image of SAW excited by laser in material is obtained, and the visual inspection of material defects is realized. The experimental results show that the algorithm can not only detect the position of the material defects, but also detect the size and shape of the defects directly and efficiently. The fast discrete sinusoidal algorithm can detect the size of material defects. Finally, a laser surface acoustic wave detection system based on non-contact scanning is built, and the material defects are primarily realized by restoring the surface acoustic wave vibration image produced by laser source. The research results of this paper will provide theoretical and experimental basis for the research of laser ultrasonic technology in material defect detection, and also contribute to the further development and application of laser ultrasonic imaging technology in the field of non-destructive testing.
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG115.28

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本文編號(hào)：2231611