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基于电磁超声Lamb波模态选择研究

夏闻泽  
【摘要】:随着工业的蓬勃发展,铝及其合金凭借其密度低、耐腐蚀、强度和机械性能好、易加工等优点,使得其在工业生产中的应用范围越来越广泛。这些产品随着使用时间的增加和制造初期的疏忽,其结构会产生变化和损伤,因此需要对金属薄板进行无损检测。电磁超声传感器检测技术是一种较新型的超声检测方法,与传统的压电超声相比,电磁超声传感器技术具有非接触性、无需耦合剂等优点,目前被广泛地应用在薄板缺陷的检测。本文对电磁超声Lamb波的多模态特性及Lamb波与缺陷交互作用而发生模态转换现象进行了研究,利用ANSYS仿真方法,研究了激发单一S0模态和A0模态从而消除多模态特性对铝板检测的影响,在此基础上,通过激发单一的Lamb波与缺陷相互作用,进一步分析影响模态转换的因素。本文通过ANSYS有限元仿真分析,研究在低频厚积时只存在A0和S0的情况下电磁超声换能器的单一模态的激励方法,通过分别在铝板的上下表面施加特定组合的洛伦兹力来激励单一的Lamb波模态。研究结果表明:通过控制铝板上下表面的洛伦兹力施加,可以产生所需要的单一模态。在铝板上下表面分别施加同向的面内洛伦兹力或反向的面外洛伦兹力可以激励出单一的S0模态,且施加同向的面内洛伦兹力激发出的单一S0模态效果最佳;在铝板上下表面分别施加反向的面内洛伦兹力或同向的面外洛伦兹力可以激励出单一的A0模态,且施加同向的面外洛伦兹力激发出的单一A0模态效果最佳。本文还对Lamb波与缺陷作用的模态转换现象进行了研究。在激发出单一的S0模态和A0模态的Lamb波条件下,研究Lamb波分别与缺陷形状、缺陷位置变化(在厚度方向上)及缺陷深度变化之间的作用关系。研究结果表明:模态转换受缺陷的形状、位置和深度的影响,且模态转换程度与缺陷关于板材水平中心线的对称程度成反比。此外,对底面固定、高度固定、顶角不同的板材内部三棱柱缺陷的模态转换进行了研究。仿真结果表明:模态转换程度受缺陷自身左右对称程度影响,且两者成反比。本文通过控制铝板上下表面洛伦兹力的施加,实现了单一的Lamb波的激励,从而消除了Lamb波多模态对检测结果带来的负面影响,提升了检测的准确性。研究Lamb波与缺陷作用的模态转换规律,为接收信号的分析提供了支撑,对电磁超声换能器技术在工程上的应用具有深远的意义。


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