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  • 頭條鋁板塑性損傷的電磁超聲非線性檢測新方法
    2020-10-06 作者:張闖、曹曉琳、劉素貞、金亮、楊慶新  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué))、河北省電磁場與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院) 、天津工業(yè)大學(xué)天津市電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員張闖、曹曉琳、劉素貞、金亮、楊慶新,在2019年第19期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文(論文標(biāo)題為“基于累積效應(yīng)的鋁材塑性損傷電磁超聲非線性檢測”),針對材料早期微損傷檢測這一熱點(diǎn)問題,提出基于二次諧波累積效應(yīng)的電磁超聲Lamb波非線性檢測方法,并將其應(yīng)用于鋁板的塑性損傷檢測。

    研究背景及創(chuàng)新點(diǎn)

    鋁合金板材在國防和工業(yè)等各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,而在其制備、加工以及實(shí)際服役期間,因受到拉伸載荷、交變載荷等作用,鋁材會出現(xiàn)諸如塑性應(yīng)變和微裂紋等的早期損傷。鋁材的塑性變形并不能導(dǎo)致材料的彈性模量、聲速、聲衰減等材料聲屬性大尺度的變化,因此常規(guī)超聲檢測方法往往是失效的。

    材料存在塑性損傷時,相關(guān)區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變呈非線性關(guān)系,從而使得傳播至該區(qū)域的超聲波產(chǎn)生了以二次諧波為主的高次諧波。非線性超聲檢測方法正是基于材料的這一非線性特征以實(shí)現(xiàn)材料微損傷檢測與性能評估。

    對于材料微納尺度缺陷(位錯、微裂紋等)的檢測,常規(guī)非線性超聲檢測方法主要利用超聲體波、表面波或?qū)Рㄔ趥鞑ミ^程中遇到缺陷會產(chǎn)生高次諧波的非線性特性,實(shí)現(xiàn)對損傷的檢測。由于高次諧波具有易衰減和易受外界干擾的特性,不適于長距離傳播和檢測,各種環(huán)境因素容易引起檢測誤差和失效等問題。此外,由于電磁超聲換能效率較低,其非線性檢測效果無法滿足工程技術(shù)需求。

    Lamb波在特定條件下可以產(chǎn)生隨著傳播距離累積的二次諧波,這一特性使得其在大尺寸結(jié)構(gòu)檢測方面相比于傳統(tǒng)的超聲非線性檢測方法具有明顯優(yōu)勢。本文提出基于二次諧波累積效應(yīng)的電磁超聲Lamb波非線性檢測方法,并將其應(yīng)用于鋁板的塑性損傷檢測。

    課題組基于導(dǎo)波在固體中傳播的波動方程以及固體力學(xué)的非線性理論,推導(dǎo)了產(chǎn)生隨著傳播距離可累積的二次諧波的條件,即基波與二次諧波的相速度匹配,并且能量流不為0。通過計算Lamb波的頻散特性曲線,Lamb波S0模態(tài)500kHz的群速度為5.37mm/μs,與1MHz對應(yīng)的相速度近似相等,因此本文選擇頻率為500kHz的Lamb波S0模態(tài)作為超聲激勵信號。

    論文采用Murnaghan模型進(jìn)行電磁超聲非線性有限元仿真分析,通過模擬不同程度的塑性損傷,觀察基波與二次諧波幅值的變化,進(jìn)而研究二次諧波的累積效應(yīng)。仿真結(jié)果顯示,隨著傳播距離的增加,基波幅值逐漸降低,基波的能量一部分隨著傳播距離衰減,一部分能量轉(zhuǎn)移到二次諧波;并且隨著傳播距離的增加,二次諧波幅值基本成線性增長,即該模態(tài)下產(chǎn)生了可累積的二次諧波;由此可知,傳播距離與相對非線性系數(shù)成線性關(guān)系,與理論分析相一致。

    為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性,利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)在位移控制模式下對厚度為1mm的6061鋁板進(jìn)行靜態(tài)拉伸,使被測件產(chǎn)生塑性變形。采用非線性電磁超聲檢測系統(tǒng)提取接收到的直達(dá)波波包信號進(jìn)行時頻域分析,研究6061鋁板中塑性損傷對電磁超聲Lamb波傳播特性的影響規(guī)律。

    作者特稿︱鋁板塑性損傷的電磁超聲非線性檢測新方法

    圖1 非線性電磁超聲檢測試驗(yàn)平臺

    作者特稿︱鋁板塑性損傷的電磁超聲非線性檢測新方法

    圖2 相對非線性系數(shù)與超聲傳播距離的對應(yīng)關(guān)系

    結(jié)論

    對比完好試件和含塑性損傷試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:

    1)當(dāng)超聲波傳播距離一定時,完好試件的基波幅值大于損傷試件的基波幅值,完好試件的二次諧波幅值小于損傷試件的二次諧波幅值,并且損傷試件的相對非線性系數(shù)也大于完好試件的相對非線性系數(shù),即試件的非線性增加,從而也證明了塑性損傷使得基波的能量部分轉(zhuǎn)移到二次諧波;

    2)對于損傷試件而言,隨著傳播距離的增加,基波幅值減小,二次諧波幅值增大,相對非線性系數(shù)增加,即在該實(shí)驗(yàn)條件下,系統(tǒng)產(chǎn)生了可累積的二次諧波,并且傳播距離與二階相對非線性系數(shù)基本成線性增加的關(guān)系,因此累積效應(yīng)適用于鋁材塑性損傷區(qū)域長度的定量檢測。

    團(tuán)隊(duì)介紹

    作者特稿︱鋁板塑性損傷的電磁超聲非線性檢測新方法

    張闖教授

    張闖,博士,教授,博士生導(dǎo)師,河北省高校優(yōu)秀青年基金獲得者,中國電工技術(shù)學(xué)會青工委委員,現(xiàn)任省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、河北省電磁場與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。主要從事電磁無損檢測與評估、工程電磁場與新技術(shù)等方面的研究。

    作者特稿︱鋁板塑性損傷的電磁超聲非線性檢測新方法

    團(tuán)隊(duì)合影