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基于电磁超声Lamb波换能器阵列的板材检测方法研究

刘博  
【摘要】:电磁超声Lamb波技术以其无需耦合剂、环境适应性强和成本低等优点,在板材无损检测领域前景广阔。但是Lamb波的多模式和频散现象容易造成误检,且电磁超声Lamb波换能器很难满足军用级薄板检测的标准,需要优化设计以提升其检测精度。此外,单一换能器检测效率较低,采用换能器阵列虽然能显著提高检测速度,但目前并未有合理的换能器阵列排布方法。针对上述问题,本文开展了基于电磁超声Lamb波换能器阵列的板材检测方法研究。针对Lamb波在波导中的多模式和频散特性会影响缺陷检测的问题,提出基于二维有限元建模仿真的高模式消除方法和频散抑制方法。该方法充分考虑了Lamb波的激发曲线及换能器的换能机理,通过建模仿真分析声波的传播特性,分别给出了合理设计接收线圈从而消除高模式杂波的方法,频散现象较弱的换能器工作点范围,以及波结构特性的利用方法。针对目前关于Lamb波EMAT阵列声场分布研究不足,提出三维有限元频域建模方法。该方法将电磁场和物理场耦合,采用静磁场、涡流和结构场分步仿真的方式,有效地得到了试件内Lamb波三维声场及指向性。通过分析曲折线圈声场分布特性,提出声场可聚焦的线圈结构,并得出声场汇聚效果最优的线圈参数。根据仿真所得声场,计算得到了EMAT有效检测区域,并给出了换能器阵列的无盲区排布方法。针对目前对铝合金薄板高精度检测的需求,采用有限元仿真方法研究了电磁超声Lamb波对不同缺陷的检测特性。提出了基于二维模型的槽缺陷检测仿真研究方法,以及基于三维模型的孔缺陷检测研究方法。该方法通过时域仿真,可以得到Lamb波的入射波和缺陷反射回波波形。基于所建模型,分析了Lamb波的缺陷检测能力,研究了斜槽缺陷对检测效果的影响,并得到了提升孔缺陷检测能力的线圈参数设计方法。搭建了电磁超声实验平台,验证了仿真结果的正确性;研制基于电磁超声Lamb波换能器阵列的缺陷检测系统。实验结果表明,该系统能够有效地检测出Φ1mm的通孔和4mm宽、0.4mm深的槽缺陷,达到GJB 3384的检测要求。本文研究的基于电磁超声Lamb波换能器阵列的板材检测方法,能够为铝合金板材的快速无盲区检测奠定良好的基础。


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