毕业设计(论文)金属薄板的超声兰姆波无损检测.doc
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1、金属薄板的超声兰姆波无损检测学生姓名:陈丹 班级:0882012指导老师:陈振华 摘要:随着航天、航空、汽车工业的发展,各行业对金属板材的需求量日益增多,发现一种更精确的金属板兰姆波无损检测方法,显得日益的重要。金属板材构件,尤其是金属薄板,使用常规的超声波探伤是很困难的,与常规超声波无损检测相比,兰姆波检测具有快速高效的特点,非常适合于板形结构的大面积无损检测。尽管金属薄板的无损检测是兰姆波技术的最早应用领域,但是由于兰姆波理论及检测机理的复杂性,此项技术至今仍未取得重大突破,还存在许多不一致的观点和未解决的问题,大大地限制了它在工业生产中的应用。本文主要介绍通过对铝板模拟缺陷进行实验,通过
2、数字采样得到各种缺陷下的时域信号,对比各模拟缺陷时域信号的不同特征参数,从而对铝板中的模拟缺陷进行无损检测,并对一发一收缺陷波波形指数线性回归跟自发自收端面回波波形指数线性回归进行对比,从而确定哪种研究方法更适合用于金属薄板的无损检测。关键词:无损检测;LAMB波;金属薄板指导老师签名:Thin metal sheet by ultrasonic Lamb wave nondestructive testingStudent:Chendan Class:0882012Supervisor:ChenzhenhuaAbstract: With the aerospace, aviation, th
3、e development of automobile industry, the industry of sheet metal on the increasing demand, find a more precise metal plate LAMB wave nondestructive detection method, is becoming more and more important.Sheet metal member, particularly the metal sheet, the use of conventional ultrasonic testing is d
4、ifficult, and the routine ultrasonic nondestructive detection compared, LAMB wave detection with fast and efficient characteristics, is very suitable for the large area plate structure nondestructive testing.Although the sheet metal nondestructive testing is the LAMB wave technology the earliest app
5、lications, but due to the LAMB wave theory and detection mechanism is complicated, this technology has not yet achieved a major breakthrough, there are still many points of disagreement and unresolved issues, greatly limits its application in industrial production.This paper mainly introduces the de
6、fects of aluminum simulation experiment, through the digital sampling of the various defects of the time-domain signal, comparing the numerical simulation defect before and after time domain signals of different characteristic parameters, thereby the aluminum in the simulated defects, nondestructive
7、 testing, and the defects wave fitting linear regression were compared with surface echo, thereby to determine which method is more suitable for nondestructive detection for metal sheet.Key words:Nondestructive testing;LAMB wave;Metal Signature of supervisor:目录1 绪论11.1研究的背景和意义11.2金属薄板LAMB波无损检测概况及国内外
8、研究现状分析21.3超声波检测信号的研究31.3.1 超声检测的原理31.3.2 超声检测的特点41.4全文的主要工作内容42 LAMB波理论及其无损检测原理52.1 LAMB波概述52.2 LAMB波检测原理63 LAMB波无损检测系统的组建73.1 LAMB波的激发与接收73.2 LAMB波无损检测实验系统84 铝板中模拟缺陷的分析与处理104.1 一发一收测缺陷104.2 自发自收测缺陷124.3 实验数据分析145 结论16参考文献17致 谢181 绪论1.1研究的背景和意义 板形构件尤其是厚度在6mm以下的薄板件,无论是在航空航天工业、汽车工业、船舶工业,还是在压力锅炉,大型化工容器
9、方面均有广泛的应用。但是由于板件在成形过程中所带入的缺陷,如分层,夹杂,孔形缺陷,裂纹等,都会对制件的使用安全造成威胁。同时板件由于外部加载以及使用环境的变化,都可能引起其内部细小缺陷源的扩展,进而造成疲劳破坏事故。因此需要对这类板形构件进行无损检测。作为五大常规无损检测技术之一的超声波无损检测技术常用来检测制件内部的缺陷,由于它的检测能力强,甚至可以深入几米深的金属内部,同时作用于材料的超声强度有足够的低,最大作用应力远低于材料的弹性极限,此外所需的设备简单,对制件以及周围环境没有危害和污染,所以在无损检测中应用得非常广泛。超声检测是使超声波进入待测试件,通过超声波与试件的相互作用,就反射、
10、透射和散射的波进行研究,从而对试件进行宏观缺陷检测。超声无损检测常用的是纵波(压缩波)和横波(切变波)检测,可是对于薄板(尤其是厚度2mm以下的薄板)无论是横波探伤还是纵波探伤都很困难。事实上无论是横波斜入射还是纵波垂直入射进薄板中,当超声波传播一定距离之后由于薄板上下表面的不断反射使得此时的超声波已不再是普通的横波或者纵波了,而是一种新的超声波形式即兰姆波(LAMB wave)。LAMB波是超声波无损检测中最常见的一种导波形式,与常规超声的逐点扫查不同,LAMB波检测一次扫查一条线,并且收发探头可置于试件的同一侧,这在很多场合下是方便的,所以LAMB波检测对于薄板无损检测具有纵波和横波难以比
11、拟的快捷、高效的特点,非常适合于板形结构的大面积无损检测。尽管金属薄板的无损检测是LAMB波技术的最早应用领域。但是由于LAMB波理论及检测机理的复杂性,此项技术至今仍未取得重大突破,还存在许多不一致的观点和未解决的问题,如分层对LAMB波的散射机理,如何选择最佳探伤参数,如何克服有时可能发生的分层漏检,如何对缺陷进行定性、定量分析以及人工缺陷的选型等,这些都大大地限制了它在工业生产中的应用。国外有些大型钢铁公司曾在板材生产线上采用LAMB波自动探伤,但是效果不明显。美国材料试验学会标准(ASTM)及宇航材料规范(AMS)均提出对金属薄板探伤可采用LAMB波,但是对其具体实施方法却未涉及1。J
12、Krautkramer在他的著名“超声检测技术”中也未提出具体的办法,只是指出:“最佳角度与波型往往是用缺陷已知的试件试验时凭经验求出”4。由于LAMB波传播和反射机理的复杂性,国外对LAMB波无损检测至今尚未制订相关标准,国内虽已先后制订了两项国标和一项专业标准2-4,但是这并不能说明这些问题都已得到妥善解决。LAMB波不仅可以用于薄板检测,还可以用于各种复合材料的检测与健康评价、用于大型桥梁、压力容器和输油汽管道的在线无损检测及安全监控,以及用于设计成全新概念的超声延迟线等。对金属薄板中LAMB波无损检测技术的研究是基础,对于LAMB波更深入的应用有着十分重要的意义。1.2金属薄板LAMB
13、波无损检测概况及国内外研究现状分析LAMB波的发现是在1917年。当时英国力学家兰姆(H.LAMB)按平板自由边界条件解波动方程,得到了一种特殊的波动解5。后人把这种波动命名为LAMB波以纪念它的发现者。超声LAMB波是一种在厚度与激励声波波长为相同数量级的声波导中(如金属薄板)由纵波和横波合成的特殊形式的应力波,它在不同厚度及不同激发频率下会产生不同的传播模式。LAMB波有对称LAMB和反对称LAMB两种类型,而对应每种类型又有多种模态。它是板中的导波,通常也称“板波”。当板的上下界面在力学上自由时,这种特殊的波就叫LAMB波。LAMB波进行无损检测和无损评价的早期研究主要集中于均质、各向同
14、性的介质中,目前主要用于复合材料、胶接结构等的无损检测和评价。但是由于LAMB波在激励、传播、接收以及信号处理方面的复杂性,大大限制了它在工业生产中的广泛应用,而所有这些特点都是由于LAMB波的多模式和频散特性所决定的6。20世纪40年代末,美国人FAFirestone(此人也是超声探伤的发明者)首先将LAMB波应用于薄板探伤。后来美国通用电器公司的工程师D.C.Worlton首先指出了铝和锆的频散曲线的模式特征可以应用于材料无损检测。随后的十年中,许多的研究机构和学者,如日本无损检测学会、日本科学家尾上守夫,德国科学家PHoller等都对LAMB波进行较为深入的研究,证实了LAMB波技术作为
15、无损检测方法有效性。60年代,俄罗斯科学家IA.Victorov出版了一本关于瑞利波与LAMB波的专著。1967年这本书被译为英文在美国出版,这是一本关于瑞利波和LAMB波的经典著作19。20世纪80年代到90年代初期,人们开始将LAMB波技术应用于复合材料的缺陷检测。美国航空航天局(NASA)的Saravanos等人从理论及实验上证实了利用LAMB波检测复合材料梁结构的分层缺陷12。英国国防与评估研究机构的Percibval和Birt则研究使用两种基本的LAMB波传播模式来检测材料缺陷。20世纪90年代末,美国橡树岭国家实验室的Stephen W.Kercel等采用贝叶斯参数估计对传播的多模
16、式LAMB波进行了有效的分离,并对缺陷信号进行了成功识别18。最近一些年,LAMB波被广泛应用于各向同性和各向异性材料的机构安全检测中。在2005年,美国阿拉莫斯国家实验室已经把LAMB波应用在大型管道的结构安全监控系统SHMS(Structal Healthy Monitor System)中,通过采用更为先进且廉价的超声换能器材料MFC(Macro-Fiber Composite)代替传统的PZT(压电陶瓷晶片)材料,大幅地降低了成本,并且极大地提高了检测精度与效率17。 在国内,我国航空材料研究所李家伟等也对LAMB波探伤进行了广泛地研究11。尤其是中国科学院声学研究所应崇福、张守玉和沈
17、建中用光弹方法对LAMB波的应力分布进行了直接观察,这是世界上首次对LAMB波的应力分布进行直接观察,他们还对LAMB波传播与散射进行了观察和研究10。同济大学声学研究所的刘镇清对LAMB波模式的识别和相速度检测进行了研究,在一定程度上识别出传播的LAMB波模式8。 北京工业大学的郑祥明等对垂直耦合方式下单层铝板中的声超声信号及多模式兰姆波的时频表示进行了研究,他们采用Cohen类等几种主要的时频分布对多模式LAMB波进行了对比研究,也在一定程度上识别出传播的LAMB波模式13。南京航空航天大学智能材料与结构研究所的袁慎芳教授研究小组研究了主动结构健康监控在航空领域的应用,并取得很大突破14-
18、16。1.3超声波检测信号的研究通过超声波与试件相互作用,就反射、透射和散射的波进行研究,对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征,并进而对其特定应用性进行评价的技术。1.3.1 超声检测的原理超声波是频率高于20千赫的机械波。在超声探伤中常用的频率为0.55兆赫。这种机械波在材料中能以原一定的速度和方向传播,遇到声阻抗不同的异质界面(如缺陷或被测物件的底面等)就会产生反射。这种反射现象可被用来进行超声波探伤,最常用的是脉冲回波探伤法探伤时,脉冲振荡器发出的电压加在探头上(用压电陶瓷或石英晶片制成的探测元件),探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质(如机油或水等)进
19、入材料并在其中传播,遇到缺陷后,部分反射能量沿原途径返回探头,探头又将其转变为电脉冲,经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上。根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度(与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较),即可测定缺陷的位置和大致尺寸。除回波法外,还有用另一探头在工件另一侧接受信号的穿透法。利用超声法检测材料的物理特性时,还经常利用超声波在工件中的声速、衰减和共振等特性。声速是衡量材料声学性质的重要参量。超声波在固体介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关。不同的材料介质有不同的声速。超声波波形不同时,介质弹性变形形式不同,声速也不同。1.3.2 超声检测的特点a.穿透能力较大,例如在钢中的有效
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