疲劳裂纹的电磁超声混频非线性检测

对金属结构中疲劳裂纹的检测是结构寿命预测和失效分析的关键,线性超声或其他无损检测方法难以有效识别疲劳裂纹。以非线性波动理论为基础,根据电磁超声换能器的激发特点和兰姆波(Lamb波)的波结构特点,设计双线圈Lamb波混频电磁超声换能器,建立混频电磁超声换能器有限元仿真模型,研究混频位置和非线性系数之间的关系,分析了不同裂纹深度对超声调制效应的影响。最后,进行疲劳裂纹的电磁超声混频非线性实验,通过铝板中两个声场是否发生非线性调制来判断铝板是否有疲劳裂纹;根据疲劳裂纹板中不同位置处的非线性系数大小,对疲劳裂纹进行定位;研究非线性系数随不同裂纹长度的变化情况,依据非线性系数的变化可以有效监测裂纹的扩展。研究结果证明了所设计的Lamb波混频电磁超声换能器检测疲劳裂纹的可行性、有效性。     

基于非线性电磁超声表面波混频方法的金属疲劳裂纹检测

针对铝合金板材疲劳损伤检测困难的问题,构建含有疲劳裂纹界面力模型的电磁超声表面波混频调制模型,研究不同激发频率下的非线性超声表面波的混频调制效果,进而确定了激励频率。分析电磁超声表面波在铝板中的传播情况,以及不同裂纹深度和长度对非线性混频效果的影响。最后进行非线性超声表面波混频检测实验,对完好试件及疲劳试件的非线性特征进行对比分析,研究边频分量随激励信号频率、幅值、信号时延以及裂纹长度不同的变化情况,得到边频分量与微裂纹长度的关系曲线。实验结果表明,如果铝板中存在疲劳裂纹,会有边频调制分量出现;当两列混频信号同时到达疲劳裂纹时,非线性调制效应最强;通过边频分量与微裂纹长度拟合出的关系曲线可以有效监测裂纹的扩展,从而为金属疲劳裂纹的定量检测奠定良好的基础。     

电磁加载下金属板闭合裂纹的超声调制实验研究

板状类金属从加工制造到使用过程中不可避免会产生微小缺陷,如闭合裂纹。针对非线性超声检测金属闭合裂纹信号弱且易受外界干扰的问题,在闭合裂纹处进行电磁加载,增强其对超声波的调制作用。建立了电磁加载下含闭合裂纹金属板的超声调制仿真模型,通过改变电磁加载参数,研究其对超声非线性的影响,并对仿真结果进行了实验验证。仿真与实验结果表明,电磁加载下含闭合裂纹的金属板超声调制可以实现对闭合裂纹的检测;应综合考虑激励主频、二次谐波与超声调制分量相互之间的重叠问题,合理选择电磁加载频率和激励电流。     

单向载荷下铝板电磁超声兰姆波的波速响应特性

鉴于兰姆波(Lamb波)在传播过程中衰减较慢,利用超声Lamb波对金属薄板的应力检测已成为国内外研究的热点.为了更深入了解Lamb波的传播特性与金属薄板应力之间的关系,该文根据Lamb波在各向同性板的频散计算公式,给出单向载荷不同应力下铝板的频散曲线,并数值分析了Lamb波基本模态和一阶模态与应力场在同方向上的传播变化.根据频散方程的计算结果,Lamb波A1模态在速度变化方面比使用其他模态要敏感;且越接近截止频率的一阶模态速度变化越明显.为了验证仿真结果,实验施加单向应力载荷作用于1mm厚的6061铝板,考虑到压电探头激发多模态特性,该文利用电磁超声换能器激发单模态Lamb波,对比基本模态与一阶模态相速度变化率,A1模态的波速变化明显,实验结果与仿真数据相符.因此,该文提出的单向应力加载下超声Lamb波传播特性的研究可为后续金属薄板应力检测提供重要依据.     

高频涡流加载下闭合裂纹的动态响应特性

闭合裂纹是金属材料疲劳损伤的早期表现形式之一,因其界面相互啮合且紧密接触使得传统电磁超声检测方法对于其检测效果并不理想。本文把非线性检测技术与电磁超声相结合,建立电磁换能机理产生的应力波与以非线性弹簧理论搭建的闭合裂纹响应过程的有限元模型,模拟高频涡流加载下电磁超声表面波传播过程中振动质点的位移分布及其幅频特性,通过分析二次谐波分量研究电磁超声表面波在含闭合裂纹金属铝板中的非线性传播特性,为电磁加载技术应用于闭合裂纹的超声非线性检测提供理论基础。     

基于电磁超声双换能器的单模态Lamb波激励方法研究

Lamb波因其指向性好、传播距离远、损耗小等优点而被广泛应用于构件的无损检测和健康监测中。但是,Lamb波的频散性和多模态的特点,使其在实际应用中的回波信号分析变得十分困难。该文在分析Lamb波多模态特性的基础上,根据Lamb波两种模式波结构的特点,研究电磁超声双换能器激发结构产生单模态Lamb波的特性,并对双换能器激发结构进行实验研究。仿真和实验结果表明,双换能器结构可激发单模态Lamb波,并且可以消除端面模态转换产生的多模态,从而减小后续信号处理的难度,为实际检测中缺陷的定位、识别提供有效信息,并为电磁超声双换能器激发结构的设计提供理论指导。     

电磁加载下铝板闭合裂纹的动态特性分析

板状或类板状金属结构在各类装备中应用广泛,闭合裂纹作为金属疲劳损伤的早期表现形式之一,一直是工程检测中所面临的难题。该文通过对铝板上的闭合裂纹进行电磁加载,激励闭合裂纹处于波动状态,并通过采集和分析应力波实现对闭合裂纹的检测。论文建立电磁加载下金属闭合裂纹的三维有限元模型,并在裂纹界面引入非线性弹簧模型,计算电磁加载下闭合裂纹区域的电磁场和位移场分布特征,分析不同电磁加载条件下金属闭合裂纹的动态特性,并对该检测方案进行实验,验证激励电流和加载位置等参数对电磁加载效果的影响。实验结果表明,闭合裂纹的存在,使得电磁加载下铝板中应力波的二次谐波成分更强。     

基于导波的大电机定子绝缘损伤检测实验研究

为了获得大型发电机定子绝缘损伤特性,准确评估定子绝缘老化状态,利用超声导波(Lamb波)进行了大电机定子绝缘损伤检测的实验研究。首先利用绝缘材料拉伸性能等实验,得到定子绝缘结构特性参数。然后通过选择压电换能器导波激励信号,求解Rayleigh-Lamb频率方程,获取Lamb波的频散特性曲线和Lamb波在定子绝缘结构中的传播特性;在此基础上,选择导波传播模式和确定导波激励频率。最后通过构建大电机定子绝缘损伤检测系统,进行了定子绝缘损伤检测实验测试,实验结果表明:选择5波头加Hanning窗正弦脉冲作为Lamb波激励信号,频率在15 kHz时,导波传播模式较为单一;导波对表面裂纹损伤比较敏感,Lamb波散射信号在损伤前、后有明显的差异。和无损信号相比,Lamb波S0模式和A0模式波包的幅值都有不同程度的减小,并且波包峰值点的相位均发生延迟,能够有效用于识别定子绝缘的表面裂纹损伤。     

钛合金疲劳裂纹的线性和非线性 超声综合定量检测技术

钛合金航空部件的低周疲劳裂纹在常规线性超声检测技术中易被低估,是飞机服役的安全隐患。针对上述问题开展了钛合金疲劳裂纹的非线性超声调制检测及其定量技术研究,提出了钛合金疲劳裂纹的线性和非线性超声综合检测方法。首先,通过金相法和线性超声相控阵检测技术对疲劳裂纹进行定量检测;其次,搭建了抗干扰能力强的非线性超声调制检测系统并设计了传感器布置方法;最后,基于声场分布分析提出疲劳裂纹的非线性超声调制定量方法,并将其定量检测结果与超声相控阵检测技术相对比。研究结果表明,超声相控阵方法测量的宏观裂纹长度为12 mm,而非线性超声方法测量的微裂纹延伸至距窄槽端部20 mm处,非线性调制检测技术在检测微裂纹和闭合裂纹具有显著优势。     

基于Barker码脉冲压缩技术的钢板多阵元Lamb波电磁超声换能器设计与优化

为了解决传统Barker码脉冲压缩技术受脉冲功率放大器额定参数（占空比,最大脉冲宽度等）限制而导致的脉冲压缩效果下降、检测速度降低等问题,提出一种基于Barker码脉冲压缩技术的多阵元Lamb波电磁超声换能器（EMAT）。建立了基于tone-burst信号激励-Barker码脉冲压缩技术的多阵元Lamb波EMAT检测过程的有限元模型,分析了永磁体的配置形式、阵元序列长度、激励信号周期数、曲折线圈匝数等因素对脉冲压缩后的主旁瓣比和主瓣宽度的影响,并进行了实验验证。结果表明：曲折线圈匝数为4和Barker码序列长度为13位的多阵元EMAT在配置3对外置永磁体后,其信噪比（SNR）可提高9.8 dB。综合考虑检测回波的空间分辨率和SNR,多阵元Lamb波EMAT最佳参数为：曲折线圈匝数为10、激励信号周期数为11、Barker序列为13位,并配置3对外置永磁体。