基于非線性聲學(xué)及時間反轉(zhuǎn)的鋁合金板材損傷識別研究.pdf

1、鋁合金的突出弱點是疲勞強度對應(yīng)力集中敏感，對航空鋁合金而言，復(fù)雜的工作環(huán)境將導(dǎo)致一些部件出現(xiàn)疲勞裂紋或損傷，可能對飛機的安全服役造成極大威脅。因此，研究鋁合金板材損傷的準(zhǔn)確快速檢測和定位方法，更加備受關(guān)注?，F(xiàn)有超聲檢測方法主要基于線性聲學(xué)，雖然簡化了分析過程但同時限定了超聲檢測的準(zhǔn)確度和靈敏性，尤其是對材料中微小的疲勞裂紋探測往往不能令人滿意。本文以航空鋁合金板材為研究對象，利用非線性聲學(xué)和時間反轉(zhuǎn)技術(shù)相結(jié)合的方法，針對鋁合金板材中易出

2、現(xiàn)的損傷--疲勞裂紋進行識別和定位方法研究。
　　 分析了固體介質(zhì)中非線性聲學(xué)的波動情況，給出了非線性聲學(xué)中聲學(xué)特性參數(shù)β的定義。在理論上分析了聲波在非線性波導(dǎo)介質(zhì)傳播過程中發(fā)生畸變并產(chǎn)生二次等高次諧波的原因。確定了鋁合金板材激勵聲源頻率即中心頻率為270kHz，通過實驗論證了在鋁合金板材介質(zhì)中，用非線性系數(shù)β來表征介質(zhì)損傷程度的特征參數(shù)并不理想。
　　 對鋁合金板材中裂紋損傷的非線性調(diào)制機理進行了分析，給出了疲勞裂紋非

3、線性聲學(xué)調(diào)制模型，確定了鋁合金板材中的非線性特征參數(shù)。對鋁合金板材進行了相關(guān)的非線性調(diào)制聲學(xué)實驗，對比不同激勵聲源頻率組合的時域與頻譜特性，找出了鋁合金板材非線性聲學(xué)的最佳頻率組合為100kHz和270kHz。通過對有無疲勞裂紋的鋁合金板材非線性調(diào)制聲學(xué)實驗，證明調(diào)制頻率和高階諧波可作為識別鋁合金板材介質(zhì)疲勞裂紋的特征參數(shù)，但是受到超聲波在鋁合金板材介質(zhì)中傳播的衰減影響，有用信號的幅度并不高。
　　 利用時間反轉(zhuǎn)原理的優(yōu)越性可提

4、高信噪比和自適應(yīng)聚焦，可有效解決超聲波在介質(zhì)傳播中衰減的問題。通過對鋁合金板材自聚焦特性的研究，確定猝發(fā)蘭姆波為時間反轉(zhuǎn)過程的激勵波型。通過對鋁合金板材進行單陣元與多陣元聲波時間反轉(zhuǎn)的自聚焦實驗研究，證明時間反轉(zhuǎn)法可提高聲波信號的信噪比，并產(chǎn)生良好的聚焦增益。此外，對含有不同疲勞裂紋的鋁合金板材進行聲波自聚焦實驗，證明鋁板中疲勞裂紋的大小對聲波自聚焦的峰值幅度影響不大，當(dāng)鋁板中出現(xiàn)宏觀裂紋時，時域波形聚焦峰值區(qū)域出現(xiàn)等幅方波，在其相對應(yīng)

5、頻譜中，出現(xiàn)新的頻率成分即三次諧波。
　　 將傳統(tǒng)時間反轉(zhuǎn)法與非線性譜分析相結(jié)合，改進為非線性譜分析-時間反轉(zhuǎn)法或時間反轉(zhuǎn)-非線性譜分析法，并對含有疲勞裂紋的鋁合金板材試樣進行了損傷的識別對比實驗，認為兩種方法沒有太大的差別。但由于非線性譜分析-時間反轉(zhuǎn)法不易選擇恰當(dāng)?shù)臅r間反轉(zhuǎn)窗，確定采用時間反轉(zhuǎn)-非線性譜分析法來識別鋁合金板材中的疲勞裂紋。
　　 利用兩個不同頻率超聲對鋁合金板材進行同時激勵，通過對含有不同大小疲勞裂紋

6、的鋁合金板材的識別研究，證明和頻波與差頻波對識別鋁合金板材中的疲勞裂紋敏感程度較高，利用和頻波可以識別疲勞裂紋的大小，所能測出最小的疲勞裂紋長度為0.5㎜。
　　 分析了橢圓定位法和四點圓弧定位法的基本原理和優(yōu)缺點，通過比較確定采用四點圓弧定位法進行鋁合金板材疲勞裂紋定位。鑒于四點圓弧定位法的弊端，結(jié)合時間反轉(zhuǎn)技術(shù)的自聚焦特性，通過等分鋁合金板材為若干單元和建立任一單元的瞬時波動圖，實現(xiàn)了鋁合金板材疲勞裂紋的重構(gòu)成像，進而準(zhǔn)確的