一种厚度任意连续不均匀变化的复杂结构薄板的探伤方法

本发明属于板材早期损伤检测领域，具体涉及一种厚度任意连续不均匀变化的复杂结构薄板的探伤方法。

背景技术：

1、板壳结构在服役过程中不可避免因内部因素(板内部能量交替传递)和外部因素(外部载荷、温度变化、腐蚀)而逐渐出现材料性能退化，承载能力下降，损伤出现，损伤累积到一定程度迅速发展导致灾难性事故。因此，及时预测材料性能变化和损伤对确保设备正常运行和人们生命财产安全至关重要。

2、超声波检测相比其他传统检测手段拥有安全无辐射、无污染、无附加损伤、检测时间短等优点。超声波检测分为线性超声波和非线性超声波。非线性超声波优于线性超声波，其能检测到几何尺寸小于超声波波长的微观结构变化，更早预测材料性能退化。其中lamb波传播范围广，检测快速，而且板材性能优异，是广泛使用的结构，非线性超声检测手段广泛应用于板材早期损伤检测。

3、然而，因为lamb波频散及模式转换问题相对复杂，而且非线性lamb波产生可累积的非线性信号也需要一定的条件，相对线性lamb波来讲，非线性lamb波的研究进展，是较为缓慢的。直到20世纪晚期至21世纪初，邓明晰针对无明显裂纹的非线性lamb波问题，得到了二次谐波的解析解。2003年，借助auld发展的导波模态展开法，邓明晰、lima和hamilton得到了一致的二次谐波解，深刻揭示了二次谐波的产生规律。

4、目前，针对厚度均匀薄板的非线性lamb波检测技术，已逐渐成熟，理论体系相对完善。人们指出可累积二次谐波产生的条件主要有两种：一是非零能量流从基波流入到二次谐波；二是入射基波和二次谐波的相速度相同。对于非零能量流条件，一般情况下，只要材料存在非线性，该条件都是自动满足的。对于第二个相速度匹配条件，使非线性lamb波的非线性系数的变化规律和非线性体波的非线性系数的变化规律区别开来。一旦相速度匹配条件不能满足，二次谐波将随基波传播距离增加，发生正余弦函数周期振荡变化，不再像体波二次谐波变化规律那样随基波传播距离增加而线性增长。lamb波具有色散属性，除少部分有限的频率对之外，二次谐波和基波的相速度通常是不相等的。那么，在lamb波基波传播过程中，新产生的二次谐波将会和先前产生的二次谐波发生波的干涉，进而导致在波传播路径上，形成二次谐波周期变化的现象。

5、二次谐波检测技术，虽然具备不少优点，但也存在不少需要克服的困难。lamb波本身具有色散和多模态的复杂性；二次谐波可累积需要满足前面讨论过的两个条件：非零能量流从基波流入二次谐波，基波和二次谐波相速度相等，实际应用时如果为了方便信号处理，还需要基波和二次谐波群速度相等；通常情况下，二次谐波的能量是微弱的，容易受到噪声的干扰。一般地，材料二次非线性是一种较弱的非线性，在相速失配限制二次谐波可持续累积后，二次谐波信号通常比较弱且容易被噪声淹没。为了克服相速失配，研究者们大致提出了两种解决办法。第一种是通过寻找频率模态对，筛选出的基波和二次谐波的相速度刚好相同，从而达到二次谐波强度随着基波传播而线性增长的目的。人们利用s1–s2模态对(s1是一阶对称模态基波，s2是二阶对称模态二次谐波)来测量材料非线性，如拉伸塑性损伤和疲劳损伤、温度疲劳损伤、蠕变损伤。另外，对其他的模态对，如a2-s4，s2-s4等，也有所研究。然而，这种方法也存在不少需要克服的问题。比如，这些频率模态对是分散的，而且数量有限，不能实现宽频带范围内的相速度匹配；实际应用中，激发信号的中心频率很难严格符合预期选定的频率，并且接收到的信号通常是复杂难处理的。第二种是利用低频s0模态波的低色散性，使相速匹配条件近似满足，使得二次谐波能量在基波传播较大距离范围内近似线性累积。低频s0模态波在较宽频率范围内近似满足相速匹配条件，突破了单个频率对的限制，鲁棒性好；单个低频s0模态信号更容易激发，色散相对较弱，信号处理也较简单。近年来，低频s0模态得到了研究者的广泛关注，有研究者利用兰姆波s0模态波检测微裂纹，指出低频s0模态波可以弥补模态频率对的不足，为低频s0模态波做了系统性的模拟研究。

6、为了克服相速匹配条件对二次谐波的制约，实现二次谐波远距离检测，人们提出了模态对和低频s0模态波等各种方案。即便忽略相关方案的缺点，相关技术主要针对厚度均匀的板材，对结构复杂的薄板，比如对波纹板、变厚度板等结构的早期损伤的检测无能为力。有必要针对波纹板类结构的早期损伤，提出新的有效检测方法。

7、申请号为cn201810186104.4文件公开了一种混频lamb波检测方法，属于无损检测领域。运用非线性超声检测技术对材料的早期损伤定量识别和定位，具有强烈工程需求。共轴同向混频技术可避免测量系统产生的同频率谐波噪声信号的干扰，可不移动超声波探头扫描试样内部。上述方案采用lamb共轴同向混频技术检测和定位薄板中的早期损伤。在相同位置先后激发s0模式和a0模式的lamb波，其时间间隔由扫描位置确定；当两种lamb波的频率满足特定条件时，薄板中早期损伤将激发混合波。该混合波为a0模式lamb波，频率为两基波频率之差，且传播方向与两基波相反。同时，可依据混合波信息来评价薄板早期损伤区域损伤程度、定位损伤位置和损伤范围。该方法为薄板早期损伤的检测和定位提供了一种可行的途径。但混合波检测技术也有不少缺点，如存在共振条件的限制，需要基波满足特定的频率比和混合角度，并且往往需要对待测件扫描，不便于实际工程应用，目前混合波技术限于实验室研究，未见工程应用。

8、传统的二次谐波和混合波等非线性lamb波检测技术，均是针对厚度均匀的薄板进行检测。在实际的材料探伤中，除了厚度均匀的薄板外，还存在波纹板以及各种各样厚度不均匀变化的薄板结构。针对如上边界为正弦函数曲线(x3(u)＝h-asin(2π/λ)x1，其中a为正弦函数的幅值，λ为波纹板表面形貌轮廓的空间周期长度)，下边界与上边界关于薄板中性面对称(x3(l)＝asin(2π/λ)x1-h，其中a为正弦函数的幅值，λ为波纹板表面形貌轮廓的空间周期长度)的波纹板。申请人提出了通过选频可以实现二次谐波对该类波纹板的早期损伤检测，并为该技术申请了专利(申请号为cn114441638a)。然而该专利技术检测的对象仅仅为该种类型的波纹板，适用范围受到了限制，并且方法具有一定复杂性。申请人针对厚度均匀的薄板，提出了零频定位成像局部早期损伤的方法，并申请了专利(申请号为cn114441637a)，该专利主要应用于厚度均匀的薄板，在早期损伤超声探伤领域，主要研究对象均为厚度均匀变化的薄板。显然，有必要针对厚度任意变化类型的复杂结构薄板提出一种能够普遍应用的可用于探伤的简便方法。

技术实现思路

1、本方案针对厚度任意变化类型的复杂结构薄板提供一种能够普遍应用的可用于早期损伤探伤的简便方法。

2、为了达到上述目的，本方案提供一种厚度任意连续不均匀变化的复杂结构薄板的探伤方法，包括以下步骤：

3、s1：确定检测频率，选频依据是该频率检测信号能在该厚度任意连续不均匀变化的复杂结构薄板中传播；

4、s2：损伤探测：在任一厚度任意连续不均匀变化的复杂结构薄板的某处信号激励点发射基波，基波在波纹板中产生零频信号，在该厚度任意连续不均匀变化的复杂结构薄板的信号接收点接收零频信号，对测得的信号做傅里叶变换，提取零频幅值，做出零频信号幅值随基波传播距离变换关系图；

5、s3：损伤分析，根据接收到的零频信号拟合直线的斜率大小判断在基波传播路径上波纹板的平均损伤程度大小。

6、本方案原理及有益效果：从物理上直观地定性来看，只要材料存在二次非线性，基波在传播过程中就会源源不断地产生二次谐波和零频。由于lamb波具有色散属性，除少部分有限的频率对之外，二次谐波和基波的相速度通常是不相等的，在lamb波基波传播过程中，新产生的二次谐波将会和先前产生的二次谐波发生波的干涉，使得二次谐波的能量不能持续累积。而当薄板边界形状复杂时，二次谐波的相位变化极其复杂，虽然申请人针对对称波纹板提出了针对二次谐波的早期损伤检测方法，但该方法有一定的局限性，对每一种具体情况均需要具体分析，虽然有效，但不具有简便性的特点。而零频产生总是同相位的，干涉总是增强的，这使得零频对薄板的边界形状具有一定免疫性，尽管薄板的上下边界面形状是千奇百怪的，但零频总是随着基波传播能够持续累积；并且在非线性兰姆波早期损伤检测领域，世界上主要研究的焦点在厚度均匀变化的薄板，对厚度不均匀变化薄板的检测研究极其稀少，非线性兰姆波零频分量检测技术最早为申请人在不知道体波静态分量的情况下通过理论研究预测提出，并进行了仿真和实验的验证，针对零频来检测厚度不均匀薄板损伤的研究至今未见报道，故实施针对厚度任意变化类型的复杂结构薄板早期损伤探伤探测，具有简单性高效性和首创性。

7、本方案通过对测得的零频信号进行傅里叶变换，提取零频幅值，做出零频信号幅值随基波传播距离变换的关系图，由于零频信号随基波传播的方向是持续累积叠加，即在基波的传播路径上，零频的幅值与传播距离成正相关，可以通过实验测的零频幅值随基波传播距离的变化曲线。随着材料损伤程度的增加，零频随着基波传播距离变化曲线的斜率将会变大。对同一检测对象，不同时间对其进行检测，得到不同时间对应的零频随基波传播距离的变化数据，依据相应检测数据拟合直线斜率的大小，可以判断在基波传播路径上检测的薄板早期损伤的平均水平，即完成了对薄板的早期损伤监测和评估。

8、本方案相对于现有的探伤方法更为简便，且适用薄板的范围得到了提升，在基波能量沿薄板传播时，零频信号累积，信号越来越强，呈线性增长，相对于之前申请人针对波纹板提出的二次谐波技术探伤，选频范围广，更简便。零频具备结构免疫性(即零频随基波传播近似线性累积特性受薄板形状的影响较小)，以波纹板和变厚度板为例，解决了厚度不均匀复杂结构薄板的早期损伤探测难题。

9、进一步，所述基波信号为：x(t)＝0.5psin(2πft)(1-cos(2πft/n))，其中f为中心频率，n为脉冲周波数，p为脉冲幅值。

10、进一步，所述信号激励点和信号接收点设置于薄板表面。

11、有益效果：利用接收到零频信号进行任意薄板的损伤判断。

12、进一步，所述信号接收点为多个。

13、有益效果：通过设置在基波传播路径上的信号接收点，对每个信号点上的零频信号进行提取，通过傅里叶变换后的幅值变化量，得出路径传播过程中的累积规律，将信号接收点在基波传播路径上进行直线分布，相邻两个信号接收点的距离可任意设定，通常可均匀分布。随着薄板损伤程度增加，依据检测数据点做出的零频随基波传播距离变化关系的拟合直线的斜率将会增加，进而判断出复杂薄板结构在基波传播路径上早期损伤的评价水平，即实现复杂结构薄板的早期损伤监测。

14、进一步，相邻两个信号接收点相邻两个信号接收点的距离可变，接收信号点分布于一条直线上。