超声兰姆波斜入射裂纹时的散射特性.pdf

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第49卷第4期
机械工程学报
Vol49 No 4
2013年2月
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
Feb
2013
DOI:10.390I/JME.2013,04.006
超声兰姆波斜入射裂纹时的散射特性
郑阳,2何存富1周进节1吴斌
(1.北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124;
2.中国特种设备检测研究院北京100013)
摘要:裂纹是导致众多结构失效的主要原因之一,采用超声兰姆波可有效地对板类结构中的裂纹等缺陷实现定位,但目前的
技术尚无法实现对缺陷精细特征的测量。硏究超声兰姆波与缺陷的交互作用,可为实现缺陷高精度检测奠定理论基础。采用
散射系数矩阵表征弹性波与缺陷的交互作用,对兰姆波斜入射到裂纹时的散射特性进行仿真和试验研究,结果表明其散射场
在周向上的分布并不均匀,有明显的波束指向性。随着入射角从0°变化到90°,波束指向角呈非单调性变化,且散射波能量
迅速减小。当入射角为0°和90°时,S矩阵有明显的对称性,据此可测量裂纹的扩展方向。利用斜入射时裂纹散射场的特征
可以设计合理的成像算法及传感器布置方案,以更有效地实现超声兰姆波对板类结构中裂纹的精细检测
关鍵词:散射系数矩阵兰姆波So模态斜入射裂纹
中图分类号:TG52TBS53
Scattering Characteristic of Lamb Wave at Crack with Oblique Incident
ZHENG Yang"HE Cunfu ZHOU Jinjie WU Bin
(1. College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology,
Beijing University of Technology, Beijing 100124
2. China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100013
Abstract: Crack is one of the main reasons for structure failure, and using ultrasonic Lamb wave can efficiently locate it in plate-like
structures. Currently this technology cant achieve specific characteristics of defects. Research on the interaction of Lamb waves with
defects provides principle bases for high resolution inspection. Scattering parameter matrix(s-matrix)is employed to present the
interaction of elastic wave with defects. FE and experiment research on Lamb wave oblique incident to crack is studied. Results
illustrated that scattering field is non-uniform and show significant beam form phenomenon. With incident angle changing from 0 to
90, the angle of the beam non-monotonic changes and energy of scattering wave rapidly decreases. When incident angle equal 0
and 90, S-matrix is symmetric so that can be used to evaluate the expanding direction of crack. Using the characteristic of Lamb
wave scattering in crack with oblique incident, more reasonable imaging algorithms and transducer distribution mcthos can be
designed, which will provide an efficient way to inspect the crack with high resolution
Key words: Scattering parameter matrix Lamb wave So mode Oblique incident Crack
它既可能分布于结构表面,也可能分布在结构内部。
0前言
超声兰姆波是在板中存在的一种弹性波,通过合理
选择波结构,可以使其能量在板的厚度方向上近乎
裂纹是导致众多材料和结构失效的主要原因
均匀分布,周而利用它可同时探测到板结构表面和
在材料和结构的加工及服役过程中由于制造缺陷
内部的裂纹。且其在板结构中传播距离远,可高效
疲劳、蠕变、热胀冷缩和受冲击等原因均可能生成地进行大面积的检测,因而在各种板类结构,如金
裂纹。即使是很微小的裂纹在某一些条件下都可能属板材、复合材料板等的无损检测和结构健康监测
生长,并最终导致结构完全失效,因而对其的探测中有广泛的应用。
具有重要的意义。由于产生裂纹的因素很多,因而
在利用超声兰姆波进行裂纹检测的过程中,可
以利用很多定位算法,实现裂纹的粗略定位,如在
结构健康监测中,采用椭圆算法和双曲线算法?
?国家白然科学基金(0970和国家科技支撑计划(201BAK06B03)等,在阵列成像中采用相位叠加算法和全聚焦算
资助项目。20120712收到初稿,20121113收到修改稿