CFRP层板低能冲击损伤的非线性超声兰姆波检测技术研究

CFRP层板中不可见冲击损伤的线性超声响应特征很弱,由此提出CFRP层板中低能量冲击损伤的非线性超声Lamb波检测方法。首先搭建非线性超声Lamb波检测平台,提出Lamb波激发方法并分析其模态构成,其次判定各模态是否满足非线性超声Lamb波检测条件,最后分析线性及非线性超声检测特征对损伤的敏感程度,提出检测不可见冲击损伤的非线性特征参数。研究结果表明,相对非线性系数对3、5 J低能量不可见冲击损伤具有较高的检测灵敏度,能够用于该类损伤的无损检测。     

残余应力对铝薄板Lamb波非线性效应的影响

建立了铝薄板微小缺陷的非线性Lamb波检测系统,利用该系统对未去应力和去应力后的两组铝合金试块进行检测,得到残余应力对Lamb波非线性效应的影响趋势。试验结果表明,当试样疲劳程度较小时,残余应力的存在会增大试样的超声非线性效应;当试样疲劳程度达到总寿命的62.5%后,试样内部产生微裂纹,非线性效应主要取决于微裂纹的大小,而残余应力对非线性的影响较小。     

薄板中超声导波传播模态信号分析方法

根据兰姆波在薄板中传播的频散特性,针对超声检测中获取的检测信号,采用双重时间尺度对比的方式,对兰姆波模态进行分析。采用半解析有限元法绘制各向同性自由铝板中兰姆波频散曲线,选用合适的超声换能器获得兰姆波在铝板不同位置的多模态传播信号。在兰姆波整体传播时间尺度下,用二维傅里叶变换对全部数据进行分析,确定了其模态及能量分布,再经过滤波降噪,利用Hilbert-Huang变换分离并精确分辨单个信号内叠加的不同模态的时间尺度。结果表明,上述方法可以识别兰姆波导波模态并获得较高的时间分辨率。     

基于连续小波变换的薄板损伤空气耦合兰姆波成像检测

针对铝板采用空气耦合超声探头激励出A0模式的兰姆波,在含有损伤的铝板同一侧激发和接收并以步进1 mm进行扫查试验。对扫查接收信号进行连续小波变换,提取400 kHz频率下的小波系数包络信号,识别了激励兰姆波的模态。最后利用不同扫描点处接收信号的连续小波变换系数包络信号进行幅值包络成像。结果显示,基于连续小波变换得到的特定频率处幅值包络信号信噪比较好,且成像结果具有较高的聚焦性。     

应力幅值对Al-Zn-Mg合金微动疲劳损伤行为的影响(英文)

研究了应力幅值对Al-Zn-Mg合金的疲劳损伤行为的影响。对不同应力幅值下Al-Zn-Mg合金的微动疲劳寿命以及微动疲劳损伤特性进行了研究。采用宏观力学试验与微观分析相结合的方法,对Al-Zn-Mg合金的微动疲劳机理进行了探讨。结果表明,Al-Zn-Mg合金的微动疲劳寿命随应力幅值的增加呈非线性降低;Al-Zn-Mg合金的微动疲劳寿命与位移幅度值具有一定的关系。微动疲劳损伤区存在微动磨损和裂纹萌生及扩展两种破坏机制,随应力幅值的变化而产生竞争关系。微动疲劳裂纹源均形成于微动斑边缘,微动能促使微动疲劳裂纹萌生和加速扩展。     

镁合金早期疲劳损伤的非线性超声在线检测与原位微观观察(英文)

开发了一套在材料疲劳实验机上直接在线测量超声非线性系数的实验系统。利用该系统进行3组不同加载应力下的镁合金试件疲劳在线非线性超声检测,同时,利用光学显微镜对镁合金材料随着疲劳周数增大的微观结构变化进行原位观察。结果表明,在疲劳寿命的55%之前,随着疲劳周数的增加,位错滑移产生的驻留滑移带增多,微裂纹萌生扩展,超声非线性系数随之增大;在疲劳寿命的55%之后,宏观裂纹的出现使超声衰减系数增大,超声非线性系数有减小趋势。微观观察结果可以很好地验证超声实验结果。另外,高周和低周疲劳以及拉-拉和拉-压等疲劳模式的变化对实验结果没有明显的影响。     

改进的希尔伯特-黄变换(HHT)在多模式Lamb波检测中的应用

Lamb波的主要特点在于它的多模式和频散,在任一给定的激发频率下,至少存在两种Lamb波模式。各模式的频散特性使Lamb波检测变得非常复杂,所以,Lamb波检测的关键在于缺陷信号特征参数的提取和精确的信号解释。首先采用HHT直接对多模式Lamb波检测信号进行了分析,通过分析,得出了直接对多模式Lamb波信号进行EMD分解来得到信号的瞬时频率和瞬时幅值的方法是不适合的结论。采用改进后的HHT方法进行分析,有效消除了噪声干扰和各模式Lamb波的相互干扰,得到的信号时频集聚性较好,有利于特征参数的提取和进一步分析。针对不同大小和深度的孔型人工缺陷的检测试验,分别提取了信号瞬时幅值的峰值和瞬时频率的均值作为检测信号的特征参数进行线性回归分析,发现采用瞬时幅值的峰值作为孔型缺陷检测的特征参数比采用瞬时频率的均值这一参数要好。同时提出可采用瞬时幅值的峰值回归直线的斜率K来标定特征参数对缺陷孔径变化的敏感性,从而可对未知缺陷的大小进行预判。     

基于PM模型研究双层板中损伤引起的非经典非线性效应

从仿真角度研究了复合层状板中微损伤与Lamb波相互作用产生的非经典非线性效应。仿真采用Preisach-Mayergoyz(PM)模型描述损伤材料的动力学特征，该模型由大量迟滞单元组成。仿真中，在不同激发条件下双层板中产生了不同的Lamb波模态，结合Lamb波的频散特性，识别其为S₀和A₀模态，仿真结果表明，两种模态对损伤的检测效果也有差距。仿真还进一步研究了PM模型的尺寸与分布密度对S₀模态Lamb非线性的影响，结果表明可以利用Lamb波检测到的非线性效应描述损伤的生长情况和严重程度。     

微裂纹检测与定位的非线性超声仿真分析

金属浅表层的微裂纹直接影响金属的性能和使用寿命，非线性超声检测方法对于浅表层微缺陷检测有较好的效果。本文针对钢材浅表层微缺陷检测和定位问题，通过有限元仿真的方式研究裂纹检测与定位的非线性超声规律。在有限元仿真软件COMSOL Multiphsics中建立包含表层裂纹的二维混频表面波检测模型，研究超声波与钢材表层裂纹引起的非线性效应，总结缺陷尺寸与边频信号振幅的变化关系，采用基于时频分析的异侧混频激励方案研究裂纹的定位。仿真结果表明，当金属表面存在裂纹时，检测点接收的回波信号中将出现和频及差频信号；边频信号的信号强度随着裂纹宽度增大而增强，随着检测距离的增大而衰减，随着裂纹深度增加呈现先增后减趋势；通过时频分析实现了表面裂纹的定位。采用激励频率分别为0.5 MHz和0.8MHz、基频幅值均为10^-5m的超声信号能够满足浅表面裂纹检测需求，实现浅表面深度为0.2～2 mm、宽度为5～30μm的裂纹检测，定位准确率为88%。研究结果为钢材浅表层微缺陷的非线性混频超声检测和定位提供了参考依据。     

基于非线性超声调制频谱识别铝合金板材的疲劳裂纹

基于非线性超声调制频谱法,对航空铝合金板材中的疲劳裂纹识别进行研究;以两个不同频率的超声兰姆波为激励信号.依靠超声换能器、波形发生器和激光测振仪等,对含有疲劳裂纹和无损伤的2024-T351铝合金薄板试样进行对比实验;分别采用时域、频域和时频域联合法分析非线性超声波在铝合金薄板试样中传播的响应信号.结果表明:非线性声学特征即调制频谱及三阶谐波可作为识别2024-T351铝合金板材介质中疲劳裂纹的判据,通过对试样表面进行扫描,建立调制频谱的峰值幅度与位移的关系,据此可确定样板中疲劳裂纹的位置和轮廓,这为航空铝合金板材疲劳裂纹的识别提供更多技术支撑.     

Lamb波损伤散射及损伤成像的模拟

Lamb波对称模态（SO模态）具有传播速度快、频散小的优点。基于Ansys瞬态动力学分析,模拟了铝板内SO模态的传播过程,并根据有限元模拟的位移云图,分析了损伤对SO模态传播的影响。在此基础上建立环形传感器阵列,通过损伤成像算法对损伤进行检测。     

汽轮机叶片早期疲劳损伤非线性瑞利波检测

为了检测具有变曲率变厚度结构特点的汽轮机叶片表面早期疲劳损伤,提出了非线性瑞利波无损检测方法。建立了汽轮机叶片非线性瑞利波检测有限元模型,在模型中提出采用无限单元边界,有效防止了边界对声波的反射,使数值模拟结果更加准确。结果表明超声非线性系数(β)随微缺陷数目和长度的增加分别呈线性和二次函数增大关系。建立了汽轮机叶片非线性瑞利波检测试验系统,对两组三点弯曲疲劳试件进行了非线性瑞利波检测试验,试验结果虽有一定的分散性,但在疲劳寿命50%以前,β总体随疲劳寿命增加而明显增大。     

Lamb波在薄铝板无损评价中的模态识别与应用

在厚度为0．7mm的铝板上制作直径为Ф0．6～1．8mm的通孔,以模拟薄铝板中的孔洞类缺陷。利用Matlab软件绘制了Lamb波的频散曲线和质点位移一幅度曲线。根据频散曲线和质点位移一幅度曲线,选择S0模态的Lamb波。试验结果表明,S0模态Lamb波的信号峰值与缺陷大小具有良好的对应关系。     

循环载荷幅值对7075-T7451铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响

在不同幅值循环载荷条件下对7075-T7451铝合金紧凑拉伸(CT)试样进行拉伸疲劳试验,对其疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子幅值ΔK进行了研究,并用扫描电子显微镜观测试样的断口形貌。结果表明：随着循环载荷幅值的增大,试样的疲劳寿命缩短,裂纹的扩展速率增大;试样宏观断口形貌的裂纹稳态扩展区域减小,而瞬时断裂区域增大。稳态扩展区主要以疲劳条带扩展机制为主,且疲劳条带间距随循环载荷幅值的增大而增大;瞬断区的断口形貌以韧窝断裂为主,韧窝尺寸随循环载荷幅值的增大而减小。     

基于非线性超声的疲劳裂纹检测中二次谐波的激发效率

提出在疲劳裂纹的非线性超声检测中,将二次谐波激发效率作为定量表征疲劳裂纹缺陷的特征参数,并对其理论公式进行了详尽的推导,证明了将二次谐波激发效率作为特征参数对疲劳裂纹缺陷进行定量化是有效的。     

振动疲劳对压电悬臂板电激励响应的影响

针对压电智能结构的动力学设计,研究振动疲劳对双晶压电悬臂板电激励响应的影响。在电压激励下,测试压电悬臂板的自由端位移、致动层根部应变和传感层发电电压随振动循环次数的变化,分析激励电压幅值和电压波形对位移、应变及发电电压的影响,讨论位移响应、应变响应和发电电压响应随振动疲劳的变化情况。结果表明:在45~50 V的激励电压下,激励电压幅值越大,压电悬臂板的电致响应幅值下降越多,疲劳损伤速率越快;正弦波电压激励相较于三角波电压激励更容易导致振动疲劳;由于振动疲劳损伤的非线性,压电悬臂板疲劳损伤前后的位移?应变曲线斜率不再一致,而且疲劳损伤后共振时压电悬臂板根部应变降低。试验结果可为压电智能结构的动力学设计提供数据支撑。     

内部疲劳微裂纹退火愈合过程中纯铁的密度变化

在室温下对工业纯铁试样进行了控制应变幅的等幅、拉—压、低周疲劳加载，随后在1173K温度下从1h延续至7h进行真空退火处理，并分别对疲劳试样和退火试样中的疲劳裂纹形态进行了SEM观察．用电子分析天平对各组试样进行了密度检测，结果表明：同原始试样相比，随疲劳周次增加，疲劳试样密度逐步减小，在随后的1h到3h退火期间，疲劳试样密度值无明显变化；当从3h至7h退火时，试样的密度逐渐增大，并且在7h退火时接近了原始密度值．分析表明，内部疲劳微裂纹的萌生是试样密度值减小的原因；在早期的退火处理阶段，表面扩散机制支配裂纹的形态演变，因而试样密度无明显增大；而在退火处理后期，体扩散及晶界扩散作用缩小了裂纹演变形成的空洞，使得试样密度增大并逐渐恢复至原始密度值．     

基于概率损伤算法的铝板电磁超声Lamb波扫描成像

A_0模态Lamb波具有波长短、检测灵敏度高等特点,可在板结构中实现大范围、高效率的损伤检测和监测。设计并制作了一种指向性的A_0模态电磁声传感器,其由印制于柔性电路板上的回折线圈和马蹄形磁铁组成。试验验证了所设计的传感器可在铝板中有效地激励出单一的A_0模态。为了实现铝板中缺陷的检测与重构,提出了一种基于EMAT(电磁声传感器)的Lamb波扫描成像技术,对铝板中不同形状的预制模拟缺陷进行扫描检测。对各扫描路径下检测信号的直达波进行虚拟时间反转计算,提取不同路径下的损伤指数,并结合损伤概率成像算法和数据融合方法,实现了预制模拟缺陷的定位和重构,成像结果与缺陷实际位置和形状非常吻合。     

电阻法检测金属构件损伤及预测疲劳寿命

基于非线性连续疲劳损伤理论,考虑应力幅带来的非线性累积效应,以电阻值定义金属构件损伤参量,提出基于电阻变化的金属高周疲劳损伤累积模型及疲劳载荷应力幅对损伤参量的影响函数,给出通过测量电阻来检测金属构件疲劳损伤状态的方法及预测高周疲劳剩余寿命的理论公式,并通过45号钢高周疲劳试验进行验证。     

基于激光测振仪的薄钢板损伤无损检测方法

基于非接触式激光测振仪的主动兰姆波检测技术,分析了薄钢板损伤的无损检测方法。试验采用单压电片激励,激光测振仪周向阵列接收的检测方式。根据兰姆波在钢板中的传播特性,绘制出相应的频散曲线,确定试验最佳激励参数,进而结合椭圆定位原理和概率成像算法,对激光测振传感器周向阵列采集到的多组信号进行损伤成像。结果表明,该无损检测方法可以有效地检测出损伤,实现损伤的二维成像定位。