【摘要】：固體板結(jié)構(gòu)在能源、運(yùn)輸、航空航天等行業(yè)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中獲得廣泛應(yīng)用,板結(jié)構(gòu)的可靠性和完整性越來越受到人們的重視。由于制造工藝不當(dāng),或者在外部載荷作用、疲勞效應(yīng)、結(jié)構(gòu)老化等不利因素的影響下,固體板內(nèi)會逐漸產(chǎn)生許多微裂紋,這將影響到結(jié)構(gòu)正常功能的發(fā)揮,甚至引起嚴(yán)重的事故。因此,對固體板結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)進(jìn)行有效、快速地檢測和評價十分必要。非線性超聲Lamb波具有傳播速度快、傳播距離遠(yuǎn)、對材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化敏感等特點,基于Lamb波的非線性超聲無損檢測方法的研究也因此受到了越來越多的關(guān)注,研究非線性Lamb波在固體板中的傳播以及Lamb波與板中損傷相互作用的規(guī)律具有重要的意義。本文開展了金屬板中微裂紋損傷的非線性超聲損傷評價研究。首先通過求解Lamb波的頻散方程,給出了單層鋁板中Lamb波的相速度和群速度頻散曲線。然后通過二階微擾近似和導(dǎo)波模態(tài)展開法求解得到了二次諧波的解析解,推導(dǎo)了產(chǎn)生累積二次諧波的必要條件。在此基礎(chǔ)上,模擬了 Lamb波在鋁板中的傳播過程,研究了相速度和群速度匹配對Lamb波累積二次諧波產(chǎn)生的影響,以及板中微裂紋對非線性Lamb波傳播的影響。同時,還比較了在激發(fā)S1-s2模態(tài)對和S2-s4模態(tài)對兩種情況下,不同深度的裂紋對非線性系數(shù)的影響以及Lamb波通過裂紋位置后非線性系數(shù)隨傳播距離的變化情況。最后,本文還進(jìn)一步通過實驗研究了非線性Lamb波的聲學(xué)非線性系數(shù)與微裂紋深度之間的關(guān)系。本文的研究結(jié)果表明:(1)固體板中非線性Lamb波產(chǎn)生累積二次諧波的兩個必要條件為:有非零功率通量從基頻流入到二次諧波、基頻與二次諧波的相速度匹配。當(dāng)相速度匹配時,二次諧波幅值隨傳播距離線性累積增長;當(dāng)相速度不匹配時,二次諧波幅值隨傳播距離以正弦形式變化并存在最大值。對于近似完全相速度匹配的情況,二次諧波幅值在有效距離內(nèi)近似滿足線性累積增長規(guī)律。(2)對于完好的單層板鋁板,S1-s2模態(tài)對和S2-s4模態(tài)對只需要滿足有非零功率通量從基頻流入倍頻以及相速度匹配這兩個條件時,二次諧波幅值隨傳播距離呈現(xiàn)線性累積增長的特性,而群速度匹配不是線性累積增長的必要條件。對于存在微裂紋的鋁板,非線性Lamb波S1-s2模態(tài)對和S2-s4模態(tài)對的聲學(xué)非線性系數(shù)均隨著裂紋深度的增加而增大。但在裂紋深度相同的情況下,S1-s2模態(tài)對的聲學(xué)非線性系數(shù)對裂紋深度的變化更敏感,因此利用S1-s2模態(tài)對鋁板中的裂紋損傷檢測將更加有效。(3)在實驗方面,可以通過利用斜楔換能器,以一定的入射角度和激發(fā)頻率選擇性激發(fā)出S1模態(tài)的Lamb波。在滿足相速度匹配和非零功率通量從基頻流入倍頻的條件下,S1-s2模態(tài)對的聲學(xué)非線性系數(shù)隨傳播距離線性累積增長。通過對存在不同深度裂紋鋁板的非線性超聲實驗研究表明,當(dāng)裂紋深度小于一定的范圍時,裂紋產(chǎn)生的局部非線性與鋁板自身的累積非線性相互疊加,使裂紋區(qū)域局部非線性系數(shù)增大。在非線性Lamb波的傳播距離相同時,S1-s2模態(tài)的非線性系數(shù)隨著裂紋深度的增加而增大。因此,可以利用非線性Lamb波中的S1-s2模態(tài)對金屬板中裂紋深度擴(kuò)展、演化過程等進(jìn)行有效地評價。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TG115.285;O346;TP274.53
【圖文】：

性系數(shù)隨距離變化的情況，給出了激發(fā)頻率與頻散長度［４（）］的關(guān)系。Ｚｈａ0１４１］在有隨逡逑機(jī)分布微裂紋的薄板中激發(fā)Ｓ０模態(tài)Ｌａｍｂ波，研究非線性Ｌａｍｂ波與隨機(jī)分布裂逡逑紋的響應(yīng)特性，如圖１－３所示。隨機(jī)分布微裂紋會引起明顯的超聲非線性響應(yīng)，主逡逑要表現(xiàn)為二次諧波的產(chǎn)生。超聲非線性系數(shù)隨著微裂紋密度和微裂紋區(qū)域的增大逡逑線性增長，并且也與激發(fā)頻率和裂紋摩擦系數(shù)有關(guān)。逡逑Ｓｉｇｎａｌ邋ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ邋Ｓｉｇｎａｌ邋ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ逡逑ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋１邐ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋２逡逑ｙ邋＼邐５０ｍｍ邋５０ｍｍ逡逑Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ邋—＊邐…抑一＇）廣，、（逡逑ｓ＇８ｎａ，邋ｚｚｊ邐邐Ｉ邋，」Ｈ邋邐逡逑邐１邋Ｌ邋Ｉ＊邐逡逑圖１－３邋Ｌａｍｂ波傳播通過具有微裂紋的區(qū)域的示意圖［４１］逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋Ｌａｍｂ邋ｗａｖｅｓ邋ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ邋ｔｈｒｏｕｇｈ邋ａ邋ｒｅｇｉｏｎ邋ｗｉｔｈ邋ｍｉｃｒｏ－ｃｒａｃｋｓ．逡逑Ｚｈａｏ等［４２］分別對Ｌａｍｂ波在考慮幾何非線性和材料非線性時的傳播規(guī)律進(jìn)行逡逑了研宄，得到傳播距離與二次諧波幅值的關(guān)系。結(jié)果表明，材料非線性對二次諧逡逑波產(chǎn)生的貢獻(xiàn)大于幾何非線性，如圖１－４所示。逡逑Ｌｉｕ等［４３］研究了邋Ｓｌ－ｓ２和ＳＨ２－Ｓ２模態(tài)Ｌａｍｂ波對在單層板中的傳播規(guī)律。結(jié)果逡逑表明二次諧波可以由ＳＨ波和Ｌａｍｂ波產(chǎn)生，兩種情況都觀察到累積增長的二次諧逡逑波。Ｈｏｎｇ＾研宄帶有疲勞裂紋的板中Ｓ１－Ｓ２模態(tài)對的傳播規(guī)律

圖１－４邋ＳＯ模態(tài)在０．５ＭＨｚ下的仿真結(jié)果？？邐（ａ）邋（ｂ）幾何非線性的結(jié)果；（ｃ）邋（ｄ）幾何非線逡逑性和材料非線性的結(jié)果逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ邋ｒｅｓｕｌｔｓ邋ｆｏｒ邋ＳＯ邋ｍｏｄｅ邋ａｔ邋０．５邋ＭＨｚ：邋（ａ）邋（ｂ）邋ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ邋ｎｏｎｌｉｎｅａｒ邋ｒｅｓｕｌｔｓ；邋（ｃ）邋（ｄ）逡逑ｇｅｏｍｅｔｒｉ?

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號：2733516