一种基于斯通利波能量转移特性的多层板损伤检测方法

文档序号:9395532阅读:510来源:国知局
一种基于斯通利波能量转移特性的多层板损伤检测方法
【技术领域】
[0001] 本公开设及属于机械结构无损检测领域,特别是一种基于多层复合板中斯通利波 在两界面间存在能量转移运一特性实现对多层复合板某一特定界面上损伤的单独检测或 两界面上损伤的同时检测的损伤检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着新技术、新产业的出现,对具有各种不同性能的工程材料的需求越来越广泛。 单一的金属材料或受自然资源的局限,或因综合性能不足,其应用领域受到极大地限制。在 运种情况下,复合材料的研制、生产和应用越来越显示其重要的地位。
[0003] 层状金属复合材料作为复合材料的一种,其可W发挥组分材料各自的优势,实现 各组分材料资源的最优配置,节约贵重金属材料,实现单一金属不能满足的性能要求,且工 艺相对简单,具有较高的强度、耐腐蚀性和良好的导电、导热、导磁等综合性能,在航天、石 油、机械、化工、汽车、造船、建筑、电力、电子、核能化及家用电器、日常生活用品等领域得到 了广泛地应用。
[0004] 层状金属复合材料的层状结构,使其在生产加工和工程使用过程中常常出现局部 贯穿裂纹、厚板的层间裂纹、局部分层等损伤,运些损伤改变了结构局部或整体的刚度与强 度,对使用者的安全造成威胁,如不能及时检测损伤并采取补救措施,随着损伤的累积,最 终可能导致结构局部或整体的突然失效,极有可能造成人员伤亡与财产损失。因此,对层状 金属复合材料结构损伤进行检测是非常必要的。 阳〇化]斯通利波是一种存在于成层固体层间界面处的超声导波,其在平板中不发生频 散,可W在实验设备允许的条件下提高频率。随着频率的提高,斯通利波的波长减小,其对 微小缺陷的检测能力增强。另外,斯通利波在层合界面内具有高剪切能量和大的面内位移, 对界面上的弱绑定和分层损伤更为敏感,非常适合层状金属复合板的裂纹、分层等损伤的 检测。但是,随着层状金属复合板的层数的增多,声发射传感器激发的导波信号能量分散到 不同的层中,有些界面上的斯通利波幅值大,故障特征信号可W被检测到,而有些界面上的 斯通利波幅值小,故障特征信号不易被检测到,所W选择斯通利波幅值大时的激励频率作 为检测该界面故障的激励频率,进而可W实现利用不同的激励频率对不同界面进行单独检 巧。,运种方法使检测结果更加精确,大大提高了界面损伤的检测能力。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的在于,提供一种基于斯通利波层间能量转移特性的多层复合板损伤 检测方法,通过选择合适的激励频率W保证能量集中而用于特定界面损伤的检测,实现了 对多层复合板的结合界面损伤进行检测。
[0007] 一种基于斯通利波能量转移特性的多层板损伤检测方法,所述方法包括下述步 骤:
[0008]S100、选择激励频率:选择有利于判断斯通利波在多层板的结合界面发生能量转 移的激励频率;
[0009] S200、产生激励信号:基于S100选择的激励频率,产生相应的激励信号,并施加于 具有结合界面的所述多层板;
[0010] S300、采集信号:采集在板间结合界面传播的斯通利波信号;
[0011] S400、分析判断损伤:通过分析所采集的信号来判断被测界面的损伤是否存在,若 存在损伤,则损伤形成的反射回波信号在直达波信号和端面反射信号之间。
[0012] 因此,本发明具有下列显著优势:
[0013] 1)通过选择合适的激励频率W保证能量集中而用于特定界面损伤的检测,实现了 对多层复合板某一界面上损伤的单独检测或两界面上损伤的同时检测;
[0014] 2)斯通利波为界面波,,适宜求解界面问题,可W被用来进行多层板界面间损伤检 测;
[0015] 3)斯通利波能量集中于界面,在远离界面的方向上迅速衰减,运种波结构特性使 得斯通利波更适合于界面间损伤识别;
[0016] 4)本发明检测操作方便,各界面间故障信息详尽,大大提高了多层复合板损伤检 测效率;
[0017] 5)当多层复合板为=层复合板时,通过选择合适的斯通利波激励频率,能够实现 对两个结合界面是否损伤进行同时检测,大大提高=层复合板的损伤检测效率;
[0018] 6)本发明简单可靠,便于工程实践中使用。
【附图说明】
[0019] 图1为Al-Steel界面和Stee^Ti界面界面波位移结构理论曲线,其中ul为横向 位移,u2为纵向位移;
[0020] 图2为通过仿真软件ABA卵S生成的激励频率分别为333曲Z、500曲Z和750曲Z的 界面波结构曲线;
[0021] 图3为无损伤=层板上界面和下界面上的斯通利波信号的时域图及包络图;
[0022] 图4为无损伤=层板Al-Steel界面与Stee^Ti界面上的斯通利波信号的幅值比 随激励频率的变化曲线;
[0023] 图5 (1)~(3)分别为激励频率是333曲z、600曲Z和900曲Z时,表面波探头接收 到的带损伤的=层复合板两界面上的斯通利波信号的时域图及其包络图;
[0024] 图6为=层复合板及传感器安装示意图;
[00巧]其中:1-1为A1板层界面损伤,1-2为Ti板层界面损伤,2为压电陶瓷片,3-1为第 一表面波探头,3-2为第二表面波探头,4为Al-Steel界面,5为Stee^Ti界面,6为A1板 层,7为Steel板层,8为Ti板层。
【具体实施方式】
[00%] 在一个基础的实施例中,提供了一种基于斯通利波能量转移特性的多层板损伤检 测方法,所述方法包括下述步骤:
[0027] S100、选择激励频率:选择有利于判断斯通利波在多层板的结合界面发生能量转 移的激励频率;
[0028] S200、产生激励信号:基于SlOO选择的激励频率,产生相应的激励信号,并施加于 具有结合界面的所述多层板;
[0029] S300、采集信号:采集在板间结合界面传播的斯通利波信号;
[0030] S400、分析判断损伤:通过分析所采集的信号来判断被测界面的损伤是否存在,若 存在损伤,则损伤形成的反射回波信号在直达波信号和端面反射信号之间。
[0031] 在本实施例中,所述方法利用斯通利波能够在板间界面发生能量转移的特性,通 过选择有利于判断斯通利波在两界面发生能量转移的激励频率,有利于分析损伤是否存在 W及估算损伤的位置;并结合斯通利波遇到损伤会产生反射的特性,进而实现对所述板的 一个界面的损伤检测,或两界面的损伤同时检测。运里所述能量转移是指在不同界面上存 在能量此起彼伏的现象。
[0032] 所述能量转移的判断通过斯通利波的幅值在界面变化来判断,若界面处上的斯通 利波的幅值越大表明斯通利波能量越集中于该界面,说明运一激励频率更适合检测此界面 损伤。两界面上损伤的同时检测,指的是在某一激励频率下,两界面的斯通利波信号均能够 清晰地提取故障信息,此时的激励频率可W用于两界面上损伤的同时检测。
[0033] 在进行损伤判断时,只要判断出直达波信号和端面反射信号后,界面间的损伤不 论是一个还是多个,都可W通过分析信号成分得到。
[0034] 可选的,通过分析采集信号的时域图来对损伤分析判断。
[0035] 优选的,所述方法在步骤S100之前,还包括:
[0036] S001、通过仿真生成不同激励频率的斯通利波在板间界面传播时的幅值变化,进 而生成界面波结构曲线,W供激励频率选择参考;
[0037] 所述界面波结构曲线用于帮助判断斯通利波在两界面发生能量转移的大小;
[0038] 所述界面波结构曲线,W与损伤检测界面相关的若干板的总厚度为一个维度,W 斯通利波的幅值变化为另一个维度。
[0039] 通过生成界面波结构曲线,能够描述在某一频率下,斯通利波在板间界面上的位 移分布情况,包括横向位移和纵向位移,而在判断能量转移时通常使用横向位移来判断。
[0040] 在一个实施例中,所述方法通过仿真生成不同激励频率的斯通利波在板结合界面 上传播时的幅值变化,进而生成界面波结构曲线;所述界面波结构曲线用于帮助判断斯通 利波在两界面发生能量转移的大小;所述界面波结构曲线的生成为W与损伤检测界面相关 的若干板的总厚度为横轴,W斯通利波的幅值变化为纵轴。
[0041] 通过观察不同激励频率下的斯通利波的界面波结构曲线,选择在界面结合处能量 转移明显的激励频率作为检测时使用的激励频率。
[0042] 优选的,所述步骤S200通过在与结合界面相关的一层板的一个端面上安装激励 信号产生装置来实现。运里所说的与结合界面相关的一层板是指该板有一个面构成结合界 面的一部分,斯通利波在结合界面处发生能量转移,所述能量转移是指在不同界面上存在 能量此起彼伏的现象。
[0043] 可选的,所述激励信号产生装置为压电陶瓷片。但还可W用其他激励装置来产生 激励信号。
[0044] 可选的,所述步骤S300使用表面波探头来采集信号。而如果采用表面波探头来采 集信号,并不限制其部署的位置,但是优选的,所述表面波探头部署在产生激励信号板面的 上下表面上。
[0045] 优选的,所述方法通过对所采集信号的包络图,W估算被检测界面的损伤位置。
[0046] 进一步地,当多层板为=层板时,且=层板的材质不同时,所述方法在S001之 后,、S100步骤之前,还包括如下步骤:
[0047] S002、生成两个结合界面上传播的斯通利波的信号幅值比曲线,结合在步骤S001 生成的界面波结构曲线来选择激励频率; W48] 所述信号幅值比为P:
[0050]其中,Ai为斯通利波在第一层板面与第二层板面之间的结合界面传播幅值,A2为 斯通利波在第二层板面与第=层板面之间的结合界面传播幅值。
[0051] 所述幅值可W是横向位移,
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