CN105353043A - 基于abaqus的金属薄板微裂纹时间反转定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于abaqus的金属薄板微裂纹时间反转定位方法。本发明采用把试验和数值仿真相结合的方法来解决技术问题，即首先通过试验获得损伤对应的散射信号，求其时间反转，然后在模拟实际板材的abaqus有限元模型上重新激励，获得时反声场的空间分布，实现损伤定位和成像。比起传统的在试件上直接进行时反激励然后通过激光测振仪扫描整个板面来确定信号聚焦位置，本发明通过用有限元仿真软件模拟时反聚焦过程成本更低，操作也跟方便省时。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于abaqus的金属薄板微裂纹时间反转定位方法。
背景技术
常规超声检测法是通过传播信号的反射、衰减、透射等线性特征进行检测，但由于微裂纹的反射回波强度低、透射率高、衰减小等原因，导致常规超声检测法对微裂纹不敏感。国内外研究者发现材料内部疲劳损伤引起的非线性行为可以通过非线性超声检测法得到很好的反映。非线性超声检测是利用超声波在材料中传播时，介质或微小缺陷与其相互作用产生的非线性响应信号，进行材料性能的评估和微小缺陷的检测。振动声调制是非线性超声检测方法中的一种，通过低频振动声波和高频超声波与微裂纹相互作用，便可使得两列声波产生非线性耦合。它对接触缺陷有较高的灵敏度，可以用于检测复杂结构零件和大型构件及其结构远端，所以正在受到越来越多的关注。但非线性超声检测方法只能检测出微裂纹的存在，并不能实现对微裂纹的定位。
研究表明，时间反转可以补偿超声导波的频散、多模式和多径效应造成的声波散焦和畸变，不需要传播介质和换能器阵列的先验知识就能实现声波能量的自适应聚焦。因此，将超声检测和时间反转结合实现损伤的定位和增强成像，成为近年来的一个研究热点。时间反转是指传感器阵列接收到声源发射的信号后，将其进行时域反转后再分别由相应的接收传感器单元重新发射出去，即先到后发，后到先发，不同阵元发出的、沿不同路径传播的信号将同时到达声源位置，产生叠加聚焦。
利用非线性声波的缺陷敏感性及时间反转声波的自聚焦特性，把非线性声学和时间反转声学相结合应用于金属薄板的微裂纹检测，实现对缺陷的准确定量和定位，有着重要的实用价值。
用时间反转法确定微裂纹位置的关键是确定结构中时反声波能量的空间分布，现在一般是利用激光测振仪对固体板表面进行扫描来判断声波能量的分布。这种方法成本高，操作复杂，并不实用。或是从损伤信号中提取声速和时间延迟信息，通过公式计算进而将其转化为声波能量的空间位置信息。这种方法忽略了超声波在薄板中传播时的频散特性，计算结果并不准确。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于abaqus的金属薄板微裂纹时间反转定位方法。
本发明的基本构思：采用把试验和数值仿真相结合的方法来解决上述问题，即首先通过试验获得损伤对应的散射信号，求其时间反转，然后在模拟实际板材的abaqus有限元模型上重新激励，获得时反声场的空间分布，实现损伤定位和成像。
为解决以上问题，本发明采用了以下技术手段：
本发明首先找到试件的模态频率，然后再用信号发生器产生频率为模态频率的振动信号和更高频率的超声信号，分别通过功率放大器放大，将信号输入到压电陶瓷片产生超声激励和振动声激励，再由压电陶瓷片接收与铝板中微小裂纹相互作用后的振动声调制信号，最后由示波器采集传送给计算机。对收集到的信号进行滤波滤除基波，留下由裂纹产生的特征信号。把特征信号进行时域反转，同时用abaqus软件建立和试件相同尺寸材料的模型，在和实际接收传感器相同的点上施加时反特征信号并进行仿真。最后在abaqus软件后处理模块中观察试件的云图，就可以确定信号聚焦在哪里。
本发明的有益效果在于：比起传统的在试件上直接进行时反激励然后通过激光测振仪扫描整个板面来确定信号聚焦位置，本发明通过用有限元仿真软件模拟时反聚焦过程成本更低，操作也跟方便省时。而且由于功率放大器、信号发生器等设备数量有限，在实际试件上进行时反激励时，所能激励的传感器数量有限，而在仿真时则没有这样的限制。
附图说明
图1为振动声调制检测系统示意图。
图2为一个接受传感器得到的振动声调制信号图。
图3为得到的时反特征信号图。
图4为裂纹处的声波时域图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
波在非线性介质中传播时，会产生不同程度的波形畸变，在频域上表现为出现高次谐波和旁瓣声波等特征信号。由于这些特征信号是由裂纹产生的，所以可以把裂纹看作它们的声源，把特征信号进行时间反转后重新在接收传感器上重新激励，时反信号便会在裂纹处聚焦。
本发明提供了一种基于abaqus有限元软件的金属薄板微裂纹时间反转定位方法，把超声波和微裂纹相互作用产生的特征信号进行时间反转，然后在abaqus有限元软件上建立检测试件的模型，把时反后的特征信号在模型中激励，最后在abaqus后处理的云图中就可以看到信号的聚焦位置，时反信号的聚焦位置即为裂纹的位置。
本发明首先利用信号发生器产生一路高频信号和一路低频信号，其中当低频信号的频率是试件的模态频率的时候，振动声调制效果最好，然后分别通过功率放大器放大，将信号输入到压电陶瓷片产生超声激励和振动声激励，再由压电陶瓷片接收与铝板中微小裂纹相互作用后的振动声调制信号，最后由示波器采集传送给计算机。对收集到的信号进行滤波滤除基波，留下由裂纹产生的特征信号。把特征信号进行时域反转，同时用abaqus软件建立和试件相同尺寸材料的模型，在和实际接收传感器相同的点上施加时反特征信号并进行仿真。最后在abaqus软件后处理模块中观察试件的云图，就可以确定信号聚焦在哪里。
具体操作方法如下：
在试件表面用环氧树脂粘贴数个压电陶瓷片，其中两个压电陶瓷片当做激励传感器，其它的当做接收传感器。选择信号发生器的扫频模式，将信号输入到压电陶瓷片对试件进行振动激励，找到它的模态频率fl。再用信号发生器产生频率为fl的振动信号和更高频率的超声信号，经过功率放大器放大后输入到两个压电陶瓷片中分别产生振动声激励和超声激励。由其余的压电陶瓷片接收振动声调制信号，经由示波器传递给计算机。把接收到的信号进行带阻滤波，滤除基波频率的信号，只留下由裂纹和声波相作用产生的特征信号。选取合适的时间反转窗T=[a,b]，把在时反窗内的特征信号进行时域反转，同时用abaqus有限元仿真软件建立和试件相同尺寸材料的模型，把时反信号加载到模型中进行仿真。在abaqus软件的后处理云图中观察试件的应变图，在t=b时刻时反信号的聚焦位置即为裂纹的位置所在。
实例
动声调制检测系统如图1所示，主要包括：长400mm、宽200mm、厚2mm，杨氏模量为72GPa，泊松比为0.35的薄铝板，板中心有长10mm，宽度为纳微级的闭合裂纹；直径为25mm、厚度为2mm、中心频率为40kHz的厚度伸缩型压电陶瓷片；信号发生器(DG1022U)；示波器(DS2102)；功率放大器(JYH-200M)等。
由于当振动信号频率选用试件的模态频率时，振动声调制现象最明显。所以首先对试件进行模态测试，在信号发生器中选择扫频模式，开始频率值设为1000Hz，结束频率值设为6000Hz，幅值设为100V，采样频率设为1MHz。将信号输入到压电陶瓷片，对铝板进行振动激励，结果发现在1000Hz～5000Hz频率范围内存在两个模态频率，1200Hz和3500Hz。然后用信号发生器、功率放大器和两个压电陶瓷片产生振动声激励和超声激励，其频率分别为3500Hz和40kHz，电压为100V和50V。再由另一组压电陶瓷片接收振动声调制信号。图2是其中一个接受传感器得到的振动声调制信号图。对它进行滤波并取时间窗T=[0.2，0.5]ms进行时域反转，得到如图3所示的特征时反特征信号。在abaqus仿真软件中建立相同尺寸，材料的铝板模型，并在在和实际接收传感器相同位置的点上施加相应的时反特征信号并进行仿真。图4是裂纹处的声波时域图，可以看见特征时反信号在0.5ms处发生了时间上的聚焦。
Claims (1)
1.基于abaqus的金属薄板微裂纹时间反转定位方法，其特征在于：在试件表面用环氧树脂粘贴数个压电陶瓷片，其中两个压电陶瓷片当做激励传感器，其它的当做接收传感器；选择信号发生器的扫频模式，将信号输入到压电陶瓷片对试件进行振动激励，找到试件的模态频率fl；再用信号发生器产生频率为fl的振动信号和更高频率的超声信号，经过功率放大器放大后输入到两个压电陶瓷片中，分别产生振动声激励和超声激励；由其余的压电陶瓷片接收振动声调制信号，经由示波器传递给计算机；把接收到的信号进行带阻滤波，滤除基波频率的信号，只留下由裂纹和声波相作用产生的特征信号；选取时间反转窗T=[a,b]，把在时反窗内的特征信号进行时域反转，同时用abaqus有限元仿真软件建立和试件相同尺寸材料的模型，把时反信号加载到模型中进行仿真；在abaqus软件的后处理云图中观察试件的应变图，在t=b时刻，时反信号的聚焦位置即为裂纹的位置所在。
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