基于Lamb波的损伤铝板信号获取仿真研究.pdf
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1、第42 卷第1期2024年1月DO1:10.20096/j.xhxb.1008-9233.2024.01.011西安航空学院学报Journal of Xian Aeronautical InstituteVol.42 No.1Jan.2024基于Lamb波的损伤铝板信号获取仿真研究朱佳驹,丰世林,聂瑞,左都全(中国民用航空飞行学院航空工程学院,四川广汉6 18 30 0)摘要:为了分析Lamb波在健康铝板和通孔铝板上的传播规律,提出基于Lamb波的损伤信号获取仿真方法。首先绘制3mm铝板的群速度和相速度频散曲线,然后调制激励信号,在有限元软件Abaqus中建模仿真,获得Lamb波在铝板上的信号
2、,最后再将各信号带入损伤因子公式中计算SDC值。研究结果表明:距离激励点的位置越远,Lamb波衰减的越厉害;相同位置,接收到完整板的信号幅值大于损伤板;传感器距离损伤位置越近,损伤因子越大。研究结果为无损检测成像技术提供理论支持。关键词:无损检测;Lamb波;铝板;损伤因子中图分类号:TG146.2+1;T B30 2.5Signal Obtaining Simulation of Damaged Aluminum Plate文献标识码:ABased on Lamb Wave文章编号:10 0 8-9 2 33(2 0 2 4)0 1-0 0 59-0 7ZHU Jiaju,FENG Shil
3、in,NIE Rui,ZUO Duquan(School of Aviatopm Engineering,Civil Aviation Flight Universoty of China,Guanghan 618300,China)Abstract:In order to analyze the propagation law of Lamb wave on aluminum plate and in goodcondition through-hole aluminum plate,a simulation method of damage signal acquisition based
4、 onLamb wave is proposed.Firstly,the group velocity and phase velocity dispersion curves of 3mmaluminum plate are drawn,then the excitation signals are modulated,and the Lamb wave signals onaluminum plate are obtained by modeling and simulation in the finite element software Abaqus.Finally,each sign
5、al is brought into the damage factor formula to calculate the SDC value.Theresults show that the greater the distance from the excitation point,the greater the attenuation ofLamb wave.At the same position,the amplitude of the signal received from the intact plate is lar-ger than that of the damaged
6、plate.The closer the sensor is to the damage location,the greater thedamage factor.The research results provide theoretical support for non-destructive testing imagingtechnology.Keywords:non-destructive testing;Lamb wave;aluminum plate;damage factors收稿日期:2 0 2 3-0 5-2 3基金项目:四川省科技计划资助项目(2 0 2 3YFG016
7、52023NSFSC0372);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(J2023-028)作者简介:朱佳驹(19 9 7 一),男,四川成都人,硕士研究生,主要从事民用飞机系统故障诊断技术、航空维修质量管理研究。600引言无损检测常用于航空航天、船舶、铁路、汽车等工业领域。超声Lamb波是近年来新兴的无损检测手段之一,Lamb波具有传播距离远、衰减速度慢,对材料边界、传播方向上的缺陷或干扰非常敏感等特性,其在许多衰减速度快的材料中传播距离也不短1。科学实验和工业检测中,通常将超声检测技术与损伤成像技术相融合。要完成成像功能,需要提前获取损伤因子,再根据损伤因子的大小,代人幅值全加成像算法或幅
8、值全乘成像算法即可获得最后的损伤位置,而如何获取和处理Lamb波的信号是此技术的关键点。国内外针对Lamb波诊断技术的研究已取得很大的进展,积累了大量的成果,针对Lamb波信息提取困难这一关键问题,分别从Lamb波激励和损伤散射信号两方面进行研究,研究的重点体现在三个方面,分别是Lamb 波传播特性、Lamb 波激励和Lamb波信号处理2。Lamb波传播特性是Lamb波损伤诊断的基础,而Rayleigh运用解析法,推导了自由状态板中Lamb波传播的解析形式3。随着计算机的发展,后续也有很多学者针对二维板状模型和三维板状模型的频散方程进行了研究。虽然解析法能够获得一个非常精准的结果,但其只适用于
9、特殊的结构,普适性较差,因此实验方法和有限元法引起了相关学者的注意。实验法通过压电传感器阵列实现Lamb波的激励和接收,而信号的采取易受外界因素的干扰,导致传感器接收到的信号信噪比不够高,信号噪声较大会使后续损伤定位产生误差,导致发生实验失败的情况。得益于计算机技术的发展,有限元法被广泛应用于各个工程领域,在处理Lamb波信号问题时,采用数值模拟法可以得到较为纯净的损伤信号,在此基础上用于信号处理,可以有效降低无损检测损伤定位的难度。本文对如何获取Lamb 波在完整铝板和损伤铝板传播的信号进行仿真研究,计算出了损伤因子大小,并对其进行了分析,具有一定的应用价值。1Lamb波理论和损伤因子1.1
10、Lamb 理论Lamb波又名板波,是一种由横波和纵波在传播的过程由板的上下表面相互反射耦合而产生的新型波。横波是指波的传播方向与介质中质点的西安航空学院学报运动方向相同,纵波是指波的传递方向与质点运动方向垂直的一类波5,因此 Lamb波在传播的过程中,介质粒子振动位移可以分解成沿波传播的方向和垂直于波传播方向。根据粒子的振动类型,Lamb波分为两种模式,对称模式(S)和反对称模式(A)6 。对称模式和反对称模式如图1所示,对称模式(S)Lamb波在薄板中粒子振动的方向关于薄板中心面对称,对称模式和反对称模式如图1所示,对称模式Lamb波在薄板中粒子振动的方向关于薄板中心面对称,质点的振动矢量可
11、以分解为相同的水平分量和相反的垂直分量,导致上下表面质点的振动相位相反,,但对称于中心。因为在薄板中,波的传播主要沿着板厚方向,即纵向,这种对称模式也被称为纵向模态。反对称模式则是指在波的传播过程中,质点在板中的振动位移方向与板的中心面反对称,具体来说,质点振动矢量的水平分量振动方向相反,垂直分量的振动方向相同。因为在薄板中,波的传播主要沿着板面方向,即横向,这种反对称模式也被称为横向模态。(a)对称模式(b)反对称模式图1对称模式和反对称模式Lamb波两种模式下的频散方程表示为对称Rayleigh-Lamb方程:tannpd_(s-ns)?tannsd45p7s反对称Rayleigh-Lam
12、b方程:tannpd.4npstannsd(-其中:5-%7=元在板中传播的波数;c是Lamb 波的相速度;为圆周率;CL为纵波速度;CT为横波速度。每个模式有多个模态,7 0 7 5铝合金3mm相速度和群速度频散曲线分别如图2、图3所示,可以看到图中对称模式和反对称模式有很多模态存在,但在频率很低时,只有最低的A。和 S。存在,因为Lamb波是显著频散的,它的速度取决于频率和板厚的乘积7,所以控第42 卷(1)(2)第1期制模态数量,把频厚积限定在一定范围内,才能得到准确的无损检测测试结果。108(su).u)/率6So4200500100015002.00025003000频率/kIIz图
13、27075铝合金3mm相速度频散曲线6So5(.(su).u)/432100图37075铝合金3mm群速度频散曲线1.2损伤因子根据成像算法的不同,会使用不同的损伤因子。常见的损伤因子分为两类,根据信号传播时间定义的有直达波峰值(AOP)、飞行时间(TOF)等8;根据幅值和相位使用数理统计包括信号差异度系数(SDC)、时间反转法(TRM)和均方偏差(RMSD)等。本文采用的是信号差异度系数(SDC)。信号差异度系数是比较损伤响应信号和无损伤响应信号的差异性,SDC值越大说明畸变程度也越大,SDC值约等于1,则说明激励点和传感器接收点路径上存在损伤,SDC值近似等于0,即在激励-传感路径上没有损
14、伤的存在。要求SDC值,首先要求相关系数p。Cov(s,S:)其中:Cov(s;,s s)为协方差;o,和。,为方差。Z(s,(t.)-3,)(s(t.)-3.)NCov(sj,S)=/(s,(t.)3,)0,=朱佳驹,等:基于Lamb波的损伤铝板信号获取仿真研究SDC=1-p即可算出SDC值。23D有限元仿真2.1建模本文使用Abaqus软件建立三维有限元模型,通过显示动力学对Lamb波在完整铝合金板和通孔铝板两种情况进行仿真。7075铝合金板的尺寸,长6 0 0 mm、宽6 0 0 mm、厚3mm。7 0 7 5铝板金板材料参数如表1所示,p是密度,E是弹性模量,V是泊松比。表17 0 7
15、 5铝合金板材料参数p/(kg:m-3)E/GPa2.82X10371建立尺寸大小一致的完整铝板和通孔铝板两个模型分别如图4、图5所示,其中通孔铝板中损伤的位置坐标为(一10 0,0)。分别在两个模型的同样位置上安置12 个传感器用于接收和激励信号。传50010001.500200025003000频率/kIz(3)(4)N2(s(t.)-3)(5)61,和。分别代表无损伤响应信号和损伤响应信号的幅值,S,和S,代表其平均值,然后根据(6)0.3感器坐标如表2 所示。P12P11P10图 4完整铝板P2P3P12P11P10P9P8P7图5通孔铝板P5P6P9P8P7P4P5P662P1(-1
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