金属薄板兰姆波传播特性的研究

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1、学校代码：10406分类号：TG115学号：100430104006南昌航空大学硕士学位论文（学位研究生）金属薄板的兰姆波传播特性研究硕士研究生：张凯导师：卢超教授申请学位级别：硕士学科、专业：仪器仪表工程所在单位：测试与光电工程学院答辩日期：2012年12月授予学位单位：南昌航空大学ResearchonLambWavePropagationCharacteristicsintheMetalThinSheetADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnInstrumentan

2、dMeterEngineeringbyZhangKaiUndertheSupervisionofProf.LUChao(SchoolofMeasuringandOpticalEngineering)NanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaNovember,2012摘要金属薄板在现代工业中应用十分广泛，板中缺陷影响构件的使用安全，甚至使其失效。对于金属薄板的检测，超声Lamb波可以实现快速、大面积地无损检测，满足现代工业急需的检测技术要求，有着巨大的应用潜力。但是Lamb波具有多

3、模态、频散以及与缺陷作用后会发生模态转换现象，这使其在工程应用中受到限制。本文基于有限元仿真软件ABAQUS，建立2D模型，分析了激励信号和缺陷对于Lamb波在板中传播的影响。在建模时，通过设置不同密度、弹性模量和泊松比，分析了材料参数对于板表面质点的振动影响。波场快照图可以清晰地显示出不同时刻Lamb波在板中传播情形。为了减少左端面回波对于接收波形的影响，采用的瑞利阻尼和粘性阻尼组合成混合吸收边界对Lamb波具有很好地吸收效果，这减少了后面信号分析的复杂性。并采取上下板面对称同相和反相同时激发方式，在板中激发出单一模

4、态的Lamb波。实验在铝合金板中设置不同直径大小的通孔和切槽，在仪器参数和探头耦合状况相同的情况下，分析了接收信号波形的衰减情况。当通孔直径小于半个波长时，接收的Lamb波信号衰减很小，大于半个波长时则衰减明显。实验发现，板中的横向切槽很容易检出，但是纵向切槽则容易漏检。且Lamb波与通孔作用时没有发生模态转换现象，而横向切槽和纵向切槽都发生模式转换。其次，利用二维傅里叶变换方法、小波时频分析、伪Wigner-Vill分布和短时傅里叶变换时频分析的方法分别对有限元仿真和实验中接收的波形进行了模态识别。通过对比发现，二维

5、傅里叶变换法效率最低且不能给出时间信息；小波时频分析法分辨率最高，但是存在干扰项，很容易造成误判；伪Wigner-Vill分布时频图分辨率最差，并且存在严重的干扰项；而短时傅里叶时频分析法在Lamb波模式识别上不存在交叉项和干扰项，能够较好地识别Lamb波的模式。HHT不能分辨出Lamb波的模式，但能看出其所含的频率成分及其分布情况。最后，对实验所采集的信号使用经验模态分解（EMD）技术，计算出原始信号以及分解后的各阶固有模态（IMF）的波形指数，采用线性拟合的方法拟合出波形指数和通孔直径的大小关系。结果发现波形指数能

6、够很好地表征孔径大小，实现了Lamb波对圆形缺陷的定量分析。关键词：金属薄板，Lamb波，有限元，波场快照图，时频分析，EMD，IMF，定量分析IAbstractMetalsheethasbeenwidelyusedinmodernindustry.Defectsinthemetalplateaffecttheusesafetyofcomponentsevenleadtobecomeinvalid.Lambwavemayrealizefastandlargeareanondestructivetestingmetals

7、heetcomparedwiththetraditionallongitudinalwaveandshearwave.Itcompletelymeetsmodernindustryurgenttestingtechnicalrequirementsandhashugepotentialapplication.ButtheLambwavehasmulti-modestates,dispersion,modeconversionphenomenonandoncemeetsdefects,ithasmodeconversio

8、nphenomenon..Thesefactorslimititsapplicationinindustryengineering.Thisthesisestablishs2dmodel,stimulatessignalofLambwaveintheplateandanalysestheinfluenceofthespreadan