基于非線性聲學及時間反轉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力集中敏感，對航空鋁合金而言，復雜的工作環(huán)境將導致一些部件出現(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確快速檢測和定位方法，更加備受關注。現(xiàn)有超聲檢測方法主要基于線性聲學，雖然簡化了分析過程但同時限定了超聲檢測的準確度和靈敏性，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，利用非線性聲學和時間反轉技術相結合的方法，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。
　　 分析了固體介質中非線性聲學的波動情況，給出了非線性聲學中聲學特性參數(shù)β的定義。在理論上分析了聲波在非線性波導介質傳播過程中發(fā)生畸變并產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中，用非線性系數(shù)β來表征介質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制機理進行了分析，給出了疲勞裂紋非

3、線性聲學調制模型，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的非線性調制聲學實驗，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制聲學實驗，證明調制頻率和高階諧波可作為識別鋁合金板材介質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中傳播的衰減影響，有用信號的幅度并不高。
　　 利用時間反轉原理的優(yōu)越性可提

4、高信噪比和自適應聚焦，可有效解決超聲波在介質傳播中衰減的問題。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的自聚焦實驗研究，證明時間反轉法可提高聲波信號的信噪比，并產生良好的聚焦增益。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

5、頻譜中，出現(xiàn)新的頻率成分即三次諧波。
　　 將傳統(tǒng)時間反轉法與非線性譜分析相結合，改進為非線性譜分析-時間反轉法或時間反轉-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-時間反轉法不易選擇恰當?shù)臅r間反轉窗，確定采用時間反轉-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，結合時間反轉技術的自聚焦特性，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成像，進而準確的