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薄板残余应力电磁超声高阶Lamb波的检测方法研究

批准号:
12104048
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
裴宁
依托单位:
学科分类:
超声物理与技术
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
裴宁

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
航空航天装备蒙皮类薄板中的残余应力直接影响材料的成型和性能。在役薄板构件因残余应力而导致变形失效的案例屡见不鲜。基于体波声弹性效应的临界折射纵波法是广泛应用的超声残余应力检测方法,然而薄板结构中激发体波较为困难。利用超声Lamb波对薄板构件进行残余应力测量,高阶模态的Lamb波应力检测灵敏度相比体波更高,但针对残余应力的高阶模态Lamb波检测理论与技术研究鲜有报道。本项目提出利用高阶模态Lamb波表征残余应力的新方法,主要研究内容包括:(1)多参量高阶Lamb波频散理论。建立包含应力、织构和温度参量的Lamb波频散方程,揭示不同Lamb波模态的传播规律,提出应力的Lamb波检测与表征方法;(2)单一高阶模态Lamb波EMAT的研制;(3)声时测量中多参量的分离方法;(4)残余应力的Lamb波检测技术。项目的研究可实现薄板结构残余应力的精确测量,为薄板构件残余应力的无损检测提供可靠技术支持。
英文摘要
Residual stresses in thin plates for aerospace equipment’s skin directly affect the forming and properties of materials. Many cases of deformation and failure existing thin plate members are due to the existence of residual stress. The critically refracted longitudinal (Lcr) wave method based on the acoustic-elastic effect is a widely used method for detecting the residual stress, but it is difficult to generate in the thin plate structure. Measuring residual stresses in thin plates by ultrasonic Lamb waves, the stress detection sensitivity for high-order Lamb wave is higher than that for bulk wave, but there are few reports on the theory and technology about high-order Lamb wave residual stress detection. In this project, a new method by using high-order Lamb wave to characterize residual stress is proposed. The main research contents include: (1) Multi-parameter high-order Lamb wave dispersion theory. Establishing the dispersion equations of Lamb wave including stress, texture and temperature parameters; discussing the propagation characters for different Lamb wave modes, and proposing the method for characterization residual stress by using Lamb waves. (2) Development of single mode high-order Lamb wave EMAT. (3) The separation method of multi-parameters for time of flight (TOF) measurement; (4) The residual stress detection technology by using Lamb waves. The research results of this project can realize the accurate measurement of the residual stress for the thin plate structure, and provide reliable technical support for the nondestructive testing of the residual stress for the thin plate components.
针对航天器蒙皮类薄板结构残余应力的检测需求,建立了不同应力、织构、温度参量下薄板的频散关系,讨论了不同模态Lamb波随应力角度的变化关系,结果表明:当应力与波速的方向为0度、15度和30度时, A0模态表现为速度增大、其余模态S0、S1、S2、A1、A2模态表现为速度减小;当应力与波速的方向为45度时,A0模态在0.2MHz-mm小于处表现为使速度增大、在大于0.2MHz-mm后表现为速度减小;S1和S2模态在小于3.5MHz-mm处表现为速度增大,在大于3.5MHz-mm后表现为速度减小;当应力与波速的方向为60度时,S0模态在小于2MHz-mm处表现为速度减小,在大于2MHz-mm处表现为速度增大;当应力与波速的方向为75度和90度时,所有模态都表现为速度增大。研制了相关换能器,确定了EMAT线圈相邻导线的距离:首先,通过波动方程结合边界条件、考虑应力-应变关系,建立了铝板结构的相速度频散曲线。根据相速度频散曲线,选定了激励信号的频率为3.0MHz和对应的相速度为8000m/s,得到目标模态的波长2.67mm。接下来,考虑线圈结构和相位匹配条件,线圈相邻导线的距离为1.335mm,以控制目标模态的波长。同时,设计了激励与接收单一高阶模态Lamb波EMAT:永磁铁和线圈耦合在金属板中产生和目标模态波结构一致的声波,激发单一的高阶Lamb波模态。利用COMSOL有限元仿真软件,建立EMAT有限元仿真模型,对永磁铁极化角度,以及永磁铁和线圈的结构配置进行优化设计,实现单一了的高阶模态Lamb波的激励与接收。基于以上研究基础,制作了偏置静磁场磁铁与线圈,并进行实验研究。考察研制的EMAT激励接收Lamb波模态的单一性。进一步分析了激励频率、激励信号周期与线圈周期比值,永磁铁和线圈的尺寸与配合及Lamb波与试件的耦合等参数,对EMAT高频激励与接收Lamb波模态强度和模态单一性的影响规律。选取了最优设计方案,研制出了激励与接收单一高阶模态Lamb波的EMAT。按照项目进一步进行实验并与理论模型的结果进行对比分析,分别进行温度、应力、不同板材轧制方向(织构)的实验,结果表明不同参量影响下,通过超声参量的补偿可以实现不同影响因素的分离与消除。实验结果与建立的模型具有很好的一致性,验证的建立模型的可靠性与正确性。按照项目的进度安排,为了进一步验证超声结果的正确性。利用盲孔法对构
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