CN110108402A - 一种用于金属薄板中应力分布测量的非线性Lamb波混频方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于金属薄板中应力分布测量的非线性Lamb波混频方法。本发明公开了一种基于非线性Lamb波混频技术的应力分布检测方法，该方法适用于板结构中应力分布检测及应力集中区域的定位，属于无损检测领域。本发明步骤：该方法首先根据被测对象和非线性Lamb波混频谐振条件，确定两基频波的激励频率；在试件左右两端对向激励两列A0模态波，在激励信号之间某一位置处接收和频S0信号，进行板结构非线性混频应力检测；通过改变激励信号激励时延，对试件不同位置进行混频扫查，提取混频波幅值；最后，根据和频差信号幅值随混频位置的变化规律，可实现对金属板应力分布的检测以及应力集中区域的定位。

Description

一种用于金属薄板中应力分布测量的非线性Lamb波混频方法
技术领域
本发明涉及一种板结构应力分布非线性Lamb波混频检测方法，该方法适用于板结构中应力分布检测及应力集中区域的定位，属于无损检测领域。
背景技术
作为一种常见的结构形式，金属板结构因具有良好成形性与可焊性，而广泛应用于各类重大基础设施中，如船舶的壳体、飞机机身和舱门、大型石油储罐外壳等。使用过程中在静力和循环载荷、内部介质和外部工作环境共同作用下，金属构件在突变部位、受刚性约束的部位易产生应力集中，并演变成疲劳裂纹或者断裂，导致结构构件的失效，从而引起灾难性事故的发生。因此，为了消除安全隐患，迫切需要一种有效手段实现金属板结构的应力检测。
应力检测方法按照其对被测构件损伤分为有损应力检测法(如钻孔法或盲孔法)和无损检测方法。钻孔法是在试件表面安装应变计，通过测量在应变计附近钻孔时所释放的应变，而后将应变换算成应力的一种半无损检测方法，该方法对钻孔工艺和工具有严格要求，现场测试中干扰因素较多。无损检测方法有X射线衍射法、磁性测定法和超声波法等。X射线的检测深度极浅，仅为10～35μm，对人体有一定辐射伤害，主要用于表面镀层、薄膜等的应力检测中。磁性测定法包括磁巴克豪森效应法、磁声发射法、磁滞法等，是利用铁磁性材料在磁化过程中磁畴会产生旋转和位移，一旦有荷载作用时，磁化过程中磁畴的旋转和位移会产生额外的附加阻力，此时磁化曲线在有载作用下发生改变。其测量应力受磁化条件限制很难在现场检测，测量稳定性比较差，数据离散性大，且仅能用于铁磁材料的检测。
超声检测方法是目前较有发展潜力的应力检测方法。超声检测技术分为传统线性超声检测技术和非线性超声检测技术两大类。传统线性超声是利用超声波在被检测试件中的传播特性，荷载作用改变了声波折射，进而导致检测设备所接收到的超声波声速和频谱发生变化，通过这些变化反算出应力的大小。Song等[Song W,Pan Q,Chunguang X U,etal.Benchmark of Residual Stress for Ultrasonic Nondestructive Testing[C]//Nondestructive Evaluation/testing:New Technology&Application.0.]对声弹性理论检测残余应力进行了理论与试验研究。徐春广等[徐春广,宋文涛,潘勤学,李骁,靳鑫,刘海洋.残余应力的超声检测方法[J].无损检测,2014,36(07):25-31.]建立并利用超声应力检测与校准系统对钢、铝合金等试样进行残余应力检测，对比研究超声应力检测系统和X射线应力分析仪检测到的应力检测值并不相同，但是应力趋势基本相同。然而超声线性检测只能用来测量较大的应力，用于检测已发展成形的缺陷，无法实现对于材料早期微观损伤的有效检测。
非线性超声检测是利用声波传播时与材料微观结构相互作用而产生的非线性响应进行材料性能的表征和微小缺陷的检测，从本质上反映了微观性能变化对材料非线性的影响，因此，可用于金属板结构应力分布的检测。现有的非线性超声无损检测方法主谐波法和混频法是应用较为广泛的非线性超声检测技术。
国内外学者采用非线性超声谐波法对金属材料应力变化进行了相关研究。Jhang和Kim[JHANG,K.Y,KIM,et al.Evaluation of material degradation using nonlinearacoustic effect[J].Ultrasonics,1999,37(1):39-44.]在结构钢SS41和SS45中观察到超声非线性参量随着拉伸应力的增加而显著增大，特别是当拉伸应力大于屈服强度以后。Shui等人[Shui G,WangY S,Gong F.Evaluation ofplastic damage for metallicmaterials under tensile load using nonlinear longitudinal waves[J].Ndt&EInternational,2013,55(3):1-8.]采用非线性超声在线方法检测不同拉伸应力作用后的AZ31镁铝合金，观察到超声非线性参量在拉伸应力大于屈服强度后显著增长。李海洋等[李海洋,王召巴,高翠翠,潘强华,肖雨.一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的方法:中国,CN201710271586.9[P].2017-07-14.]公开了一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的方法，实现了金属材料的在线监测可以评价外界载荷长期作用下在役工件的力学状况。徐广春等[徐春广,贺蕾,王秋涛,李培禄,卢钰仁,潘勤学,周世圆,肖定国,郝娟.一种残余应力非线性超声检测方法:中国,CN201711305855.5[P].2018-06-29.]利用基频波的二次、三次谐波与残余应力的对应关系，实现大型构件内部残余应力的快速检测。虽然谐波检测方法对于早期损伤具有较高的敏感性，但实验系统、探头和耦合剂等均可产生二次谐波，使得无法区分所得到的谐波分量是否由应力变化所产生，从而对实验结果产生干扰。
针对板结构应力分布混频检测问题，非线性超声混频法对材料微观结构变化具有较高的敏感性，可以很好地避免系统非线性对实验结果的干扰。然而，目前国内外文献中利用非线性超声混频技术对应力检测的研究尚处于探索阶段。综上所述，针对金属板结构应力检测现有方法存在的局限性以及非线性超声混频法对早期损伤灵敏度高的特点，本专利提出一种基于非线性Lamb混频技术的金属薄板应力分布检测方法。
发明内容
本发明旨在提出一种板结构应力检测方法，特别是基于非线性Lamb波混频技术的金属板结构应力分布无损检测方法。将压电超声探头放置在待测试件表面两侧作为激励传感器，利用中心频率在和频信号附近的压电传感器布置在两个激励探头之间接收信号。通过改变探头激励延时的方式对试件进行扫查，获取不同接收位置处时域信号。提取差信号中的和频成分进行傅里叶变化，根据和频信号幅值反映试件应力分布情况并确定应力集中区域的位置。
本发明提出的基于非线性超声混频技术的应力分布检测及应力集中区域定位的方法，其基本原理在于：
各向同性介质中，两频率分别为f1、f2的弹性波在特定条件下与非线性源相互作用会产生频率为fg的混频(和频或差频)波。发生以上混频非线性效应的特定条件称为谐振条件，即
fg＝f1±f2 (1)
kg＝k1±k2 (2)
式中，k1、k2、kg为两基频入射波及混频波的波矢，“+”和“-”分别代表和频及差频情形。式(1)和(2)分别定义了两入射波发生混频效应产生混频波时频率及传播方向需满足的条件。图1给出了两入射波发生混频非线性效应时两基频波与混频波波矢存在的几何关系。
式(1)和(2)的混频谐振条件可适用于Lamb波混频，Lamb波混频谐振条件的满足则依赖于Lamb波的频散特性，如图2所示。
Lamb波具有多模态和频散特性，使得Lamb波混频研究变得更加复杂。为此，仅考虑板结构中低阶Lamb波(A0波、S0波)之间的非线性相互作用，且两Lamb波产生的混频波也为低阶Lamb波。因此，共有三种情况的基频低阶Lamb波组合：两S0波混频、两A0波混频以及A0波与S0波的混频。根据图1的几何关系及式(1)和(2)，Lamb波混频的谐振条件为
(Ksum)2＝(K1)2+(K2)2+2K1K2cosα (4a)
(K2)2＝(K1)2+(Ksum)2-2K1Ksumcosψ (4b)
(Kdif)2＝(K1)2+(K2)2-2K1K2cosα (5a)
(K2)2＝(K1)2+(Kdif)2-2K1Kdifcosψ (5b)
式中，K1、K2为两基频Lamb波的波数，Ksum、Kdif分别为和频、差频Lamb波的波数。式(4)和式(5)分别给出了两Lamb波相互作用产生和频、差频Lamb波需要满足的谐振条件。其中，基频和混频Lamb波的波数分别为
式中，分别为两基频Lamb波的相速度，分别为和频、差频Lamb波的相速度。以上相速度可从图2a)中Lamb波相速度频散曲线获得。
根据式(4)和式(5)，两Lamb波相互作用产生和频、差频Lamb波时，其基频Lamb相互作用角α及混频波散射角ψ为
由式(7)和式(8)可知，基频Lamb波相互作用角α及混频波散射角ψ与两基频Lamb波及混频波的频率、相速度均相关，据此可获得两Lamb波发生混频非线性效应的谐振条件。图3给出了两A0波发生混频效产生和频S0波的谐振条件。如图3所示，两列A0波以相互作用角α＝180°发生相互作用，且作用区域存在非线性源，则会产生沿散射角ψ＝0°传播的和频S0波。
本发明提出的基于非线性Lamb波混频技术的金属板应力分布检测及应力集中区域定位的方法其具体实现步骤如下：
1)在一个包含应力集中区域的薄板一侧的左右两端分别设置信号激发位置，在两激发探头所在检测路径的中间设置信号接收位置。
2)根据两A0波混频产生和频S0波的谐振条件，确定非线性超声混频检测中两激励信号的频率f1、f2，考虑两激励信号时长匹配的条件下，确定两信号周期N1、N2。
3)为使两列不同频率超声波同时到达指定混合位置，根据超声波在试件中的传播速度以及传播路程，计算激励信号的时延。
4)按照上述选定的频率、周期和激励延时条件，同时激励两激励信号，在接收位置处接收信号a。
5)单一激励信号f1，在接收位置处接收信号b，单一激励信号f2，在接收位置处接收信号c，将两列接收信号进行线性叠加，生成叠加信号d＝b+c。
6)将接收信号a与叠加信号d作差，得到差信号e，观察差信号是否存在完整波包，初步判断试件是否存在损伤。
7)对接收信号a、叠加信号d和差信号e进行傅里叶变化，提取和频信号对应频率处幅值。若与叠加信号d相比接收信号a和接收信号c存在新的波形，且在频域中和频位置处都出现新的频率成分，则可说明该检测条件可以实现对于试件某一位置的应力检测。
8)根据超声信号在试件中的传播路径，计算两探头激励信号时延差，使得激励信号在试件不同位置处相遇，在接收位置处接收一系列信号，提取不同位置差信号的和频幅值。
9)通过改变信号激励和接收位置，完成对整个试件的混频扫查。将在不同相遇位置处获取的和频差信号幅值，与该点所在位置相对应，绘制出被测试件的应力分布结果。
10)根据步骤9)的结果，选取特定阈值对各个位置是否应力集中进行判断。当某一位置的和频幅值大于该阈值时，认为此处存在应力集中；反之，则认为此处没有应力集中。
本发明具有以下优点：1)采用A0波混频法对被测试件的应力分布情况进行检测，改变激励信号延时，得到沿传播方向上不同相遇位置与和频信号幅值之间的关系，可实现板结构中应力分布的检测及应力集中区域的定位。2)与谐波检测方法相比，混频检测法具有激励频率、模态以及相互作用角的灵活选择性，可有效抑制系统非线性的影响。
附图说明
图1混频非线性效应中的几何关系。
图2a)1mm厚铝板的相速度频散曲线。
图2b)1mm厚铝板的群速度频散曲线。
图3两A0波混频产生和频S0波的谐振条件。
图4实验系统示意图。
图5a)试件某点接收信号时域图。
图5b)试件某点接收信号频域图。
图6a)试件某点接收信号滤波后时域图。
图6b)试件某点接收信号滤波后频域图。
图7 Lamb波延时激励扫查方式示意图。
图8a)应力分布超声检测二维结果图。
图8b)应力分布超声检测三维结果图。
具体实施方式
下面结合图1～图8详细说明基于两列A0波非线性反向共线混频的应力分布检测方法的实施过程。
1)按照图4连接各实验仪器，布置实验探头。本实验中选用的待测试件为45Mn钢材料，其尺寸为长30mm、宽20mm、厚2.5mm的薄板。在试件长度方向正中包含一个长20mm、宽7.5mm大小的铣削区。
2)激励信号f1、f2激发位置分别设置为模型左、右两端，接收位置设置在长度方向距离左端面150mm位置处。
3)根据图3两列A0波混频谐振条件，确定非线性兰姆波反向共线混频检测中两激励信号的频率f1、f2分别为0.813MHz、0.316MHz，设置激励信号f1延时为3.4e-6μs，选择激励信号周期分别为40和10周期汉宁窗调制的正弦信号，此时发生混频效应时两基频A0波的相互作用角α及和频S0波的散射角ψ分别为180°、0°。
4)按照上述选定的频率、周期和激励延时同时激励两激励探头，在接收位置处接收到信号a。
5)单一激励f1信号，在接收位置处接收到信号b，单一激励f2信号，在接收位置处接收信号c，将两列接收信号进行线性叠加，生成单一激励的叠加信号d＝b+c。
6)差信号e＝接收同时激励信号a-叠加信号d，观察混频信号是否存在完整波包，初步判断试件是否存在损伤，如图5a)所示。
7)对接收信号a、叠加信号d和差信号e进行傅里叶变化，提取混频信号幅值。若与叠加信号d相比接收信号a和接收信号c都存在新的波形，且在频域中和频位置处都出现新的频率成分，则可说明试件中存在材料损伤，反之表明试件没有损伤，如图5b)所示，对接收信号进行滤波将接收信号进行带通滤波处理，以提取和频成分，其中滤波器的中心频率为1.2MHz，带宽为0.2MHz，滤波后时域信号及其频谱，如图6所示。
8)根据超声信号在试件中的传播路径，计算两探头激励信号时延差，使得激励信号在试件不同位置处相遇，在接收位置处接收一系列信号，提取不同位置差信号的和频幅值。
9)通过改变信号激励和接收位置，完成对整个试件的混频扫查，扫查方案如图7所示。将在不同相遇位置处获取的和频差信号幅值，与该点所在位置相对应，绘制出被测试件的应力分布结果，如图8所示。
10)根据步骤9)的结果，对不同相遇位置和频信号幅值进行归一化处理，选取有个阈值为0.6，对各个位置是否存在损伤进行判断。当某一位置的和频幅值大于和频幅值最大值的60％时，认为此处存在应力集中；反之，则认为此处没有应力集中。
以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不局限于45Mn钢板应力分布检测，还可用于其他金属的板结构应力分布检测。

Claims (2)

1.一种基于非线性Lamb波混频技术的应力分布检测方法，其特征在于：
各向同性介质中，两频率分别为f1、f2的弹性波在特定条件下与非线性源相互作用会产生频率为fg的和频或差频波；发生以上混频非线性效应的特定条件称为谐振条件；
两A0波混频，Lamb波混频的谐振条件为
(Ksum)2＝(K1)2+(K2)2+2K1K2cosα (1a)
(K2)2＝(K1)2+(Ksum)2-2K1Ksumcosψ (1b)
式中，K1、K2为两基频Lamb波的波数，Ksum为和频Lamb波的波数；式(1)给出了两Lamb波相互作用产生和频Lamb波需要满足的谐振条件；其中，基频和和频Lamb波的波数分别为
式中，分别为两基频Lamb波的相速度，为和频Lamb波的相速度，以上相速度可从图1a)中Lamb波相速度频散曲线获得；
根据式(1)，两Lamb波相互作用产生和频Lamb波时，其基频Lamb相互作用角α及混频波散射角ψ为
由式(3)可知，基频Lamb波相互作用角α及混频波散射角ψ与两基频Lamb波及混频波的频率、相速度均相关，据此可获得两Lamb波发生混频非线性效应的谐振条件。
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性Lamb波混频技术的应力分布检测方法，其特征在于：
方法是通过以下步骤实现：
1)在一个包含应力集中区域的薄板一侧的左右两端分别设置信号激发位置，在两激发探头所在检测路径的中间设置信号接收位置；
2)根据两A0波混频产生和频S0波的谐振条件，确定非线性超声混频检测中两激励信号的频率f1、f2，考虑两激励信号时长匹配的条件下，确定两信号周期N1、N2；
3)为使两列不同频率超声波同时到达指定混合位置，根据超声波在试件中的传播速度以及传播路程，计算激励信号的时延；
4)按照上述选定的频率、周期和激励延时条件，同时激励两激励信号，在接收位置处接收信号a；
5)单一激励信号f1，在接收位置处接收信号b，单一激励信号f2，在接收位置处接收信号c，将两列接收信号进行线性叠加，生成叠加信号d＝b+c；
6)将接收信号a与叠加信号d作差，得到差信号e，观察差信号是否存在完整波包，初步判断试件是否存在损伤；
7)对接收信号a、叠加信号d和差信号e进行傅里叶变化，提取和频信号对应频率处幅值；若与叠加信号d相比接收信号a和接收信号c存在新的波形，且在频域中和频位置处都出现新的频率成分，则可说明该检测条件可以实现对于试件某一位置的应力检测；
8)根据超声信号在试件中的传播路径，计算两探头激励信号时延差，使得激励信号在试件不同位置处相遇，在接收位置处接收一系列信号，提取不同位置差信号的和频幅值；
9)通过改变信号激励和接收位置，完成对整个试件的混频扫查；将在不同相遇位置处获取的和频差信号幅值，与该点所在位置相对应，绘制出被测试件的应力分布结果；
10)根据步骤9)的结果，选取特定阈值对各个位置是否应力集中进行判断；当某一位置的和频幅值大于该阈值时，认为此处存在应力集中；反之，则认为此处没有应力集中。
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