基于abaqus的金屬薄板微裂紋時(shí)間反轉(zhuǎn)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于abaqus的金屬薄板微裂紋時(shí)間反轉(zhuǎn)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002]常規(guī)超聲檢測(cè)法是通過傳播信號(hào)的反射、衰減、透射等線性特征進(jìn)行檢測(cè)，但由于微裂紋的反射回波強(qiáng)度低、透射率高、衰減小等原因，導(dǎo)致常規(guī)超聲檢測(cè)法對(duì)微裂紋不敏感。國(guó)內(nèi)外研究者發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部疲勞損傷引起的非線性行為可以通過非線性超聲檢測(cè)法得到很好的反映。非線性超聲檢測(cè)是利用超聲波在材料中傳播時(shí)，介質(zhì)或微小缺陷與其相互作用產(chǎn)生的非線性響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)行材料性能的評(píng)估和微小缺陷的檢測(cè)。振動(dòng)聲調(diào)制是非線性超聲檢測(cè)方法中的一種，通過低頻振動(dòng)聲波和高頻超聲波與微裂紋相互作用，便可使得兩列聲波產(chǎn)生非線性耦合。它對(duì)接觸缺陷有較高的靈敏度，可以用于檢測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件和大型構(gòu)件及其結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)端，所以正在受到越來越多的關(guān)注。但非線性超聲檢測(cè)方法只能檢測(cè)出微裂紋的存在，并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)微裂紋的定位。
[0003]研究表明，時(shí)間反轉(zhuǎn)可以補(bǔ)償超聲導(dǎo)波的頻散、多模式和多徑效應(yīng)造成的聲波散焦和畸變，不需要傳播介質(zhì)和換能器陣列的先驗(yàn)知識(shí)就能實(shí)現(xiàn)聲波能量的自適應(yīng)聚焦。因此，將超聲檢測(cè)和時(shí)間反轉(zhuǎn)結(jié)合實(shí)現(xiàn)損傷的定位和增強(qiáng)成像，成為近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)。時(shí)間反轉(zhuǎn)是指?jìng)鞲衅麝嚵薪邮盏铰曉窗l(fā)射的信號(hào)后，將其進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)后再分別由相應(yīng)的接收傳感器單元重新發(fā)射出去，即先到后發(fā)，后到先發(fā)，不同陣元發(fā)出的、沿不同路徑傳播的信號(hào)將同時(shí)到達(dá)聲源位置，產(chǎn)生疊加聚焦。
[0004]利用非線性聲波的缺陷敏感性及時(shí)間反轉(zhuǎn)聲波的自聚焦特性，把非線性聲學(xué)和時(shí)間反轉(zhuǎn)聲學(xué)相結(jié)合應(yīng)用于金屬薄板的微裂紋檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的準(zhǔn)確定量和定位，有著重要的實(shí)用價(jià)值。
[0005]用時(shí)間反轉(zhuǎn)法確定微裂紋位置的關(guān)鍵是確定結(jié)構(gòu)中時(shí)反聲波能量的空間分布，現(xiàn)在一般是利用激光測(cè)振儀對(duì)固體板表面進(jìn)行掃描來判斷聲波能量的分布。這種方法成本高，操作復(fù)雜，并不實(shí)用?；蚴菑膿p傷信號(hào)中提取聲速和時(shí)間延遲信息，通過公式計(jì)算進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化為聲波能量的空間位置信息。這種方法忽略了超聲波在薄板中傳播時(shí)的頻散特性，計(jì)算結(jié)果并不準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于abaqus的金屬薄板微裂紋時(shí)間反轉(zhuǎn)定位方法。
[0007]本發(fā)明的基本構(gòu)思:采用把試驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法來解決上述問題，即首先通過試驗(yàn)獲得損傷對(duì)應(yīng)的散射信號(hào)，求其時(shí)間反轉(zhuǎn)，然后在模擬實(shí)際板材的abaqus有限元模型上重新激勵(lì)，獲得時(shí)反聲場(chǎng)的空間分布，實(shí)現(xiàn)損傷定位和成像。
[0008]為解決以上問題，本發(fā)明采用了以下技術(shù)手段:
本發(fā)明首先找到試件的模態(tài)頻率，然后再用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為模態(tài)頻率的振動(dòng)信號(hào)和更高頻率的超聲信號(hào)，分別通過功率放大器放大，將信號(hào)輸入到壓電陶瓷片產(chǎn)生超聲激勵(lì)和振動(dòng)聲激勵(lì)，再由壓電陶瓷片接收與鋁板中微小裂紋相互作用后的振動(dòng)聲調(diào)制信號(hào)，最后由示波器采集傳送給計(jì)算機(jī)。對(duì)收集到的信號(hào)進(jìn)行濾波濾除基波，留下由裂紋產(chǎn)生的特征信號(hào)。把特征信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)，同時(shí)用abaqus軟件建立和試件相同尺寸材料的模型，在和實(shí)際接收傳感器相同的點(diǎn)上施加時(shí)反特征信號(hào)并進(jìn)行仿真。最后在abaqus軟件后處理模塊中觀察試件的云圖，就可以確定信號(hào)聚焦在哪里。
[0009]本發(fā)明的有益效果在于:比起傳統(tǒng)的在試件上直接進(jìn)行時(shí)反激勵(lì)然后通過激光測(cè)振儀掃描整個(gè)板面來確定信號(hào)聚焦位置，本發(fā)明通過用有限元仿真軟件模擬時(shí)反聚焦過程成本更低，操作也跟方便省時(shí)。而且由于功率放大器、信號(hào)發(fā)生器等設(shè)備數(shù)量有限，在實(shí)際試件上進(jìn)行時(shí)反激勵(lì)時(shí)，所能激勵(lì)的傳感器數(shù)量有限，而在仿真時(shí)則沒有這樣的限制。
【附圖說明】
[0010]圖1為振動(dòng)聲調(diào)制檢測(cè)系統(tǒng)不意圖。
[0011]圖2為一個(gè)接受傳感器得到的振動(dòng)聲調(diào)制信號(hào)圖。
[0012]圖3為得到的時(shí)反特征信號(hào)圖。
[0013]圖4為裂紋處的聲波時(shí)域圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0015]波在非線性介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同程度的波形畸變，在頻域上表現(xiàn)為出現(xiàn)高次諧波和旁瓣聲波等特征信號(hào)。由于這些特征信號(hào)是由裂紋產(chǎn)生的，所以可以把裂紋看作它們的聲源，把特征信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)后重新在接收傳感器上重新激勵(lì)，時(shí)反信號(hào)便會(huì)在裂紋處聚焦。
[0016]本發(fā)明提供了一種基于abaqus有限元軟件的金屬薄板微裂紋時(shí)間反轉(zhuǎn)定位方法，把超聲波和微裂紋相互作用產(chǎn)生的特征信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)，然后在abaqus有限元軟件上建立檢測(cè)試件的模型，把時(shí)反后的特征信號(hào)在模型中激勵(lì)，最后在abaqus后處理的云圖中就可以看到信號(hào)的聚焦位置，時(shí)反信號(hào)的聚焦位置即為裂紋的位置。
[0017]本發(fā)明首先利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一路高頻信號(hào)和一路低頻信號(hào)，其中當(dāng)?shù)皖l信號(hào)的頻率是試件的模態(tài)頻率的時(shí)候，振動(dòng)聲調(diào)制效果最好，然后分別通過功率放大器放大，將信號(hào)輸入到壓電陶瓷片產(chǎn)生超聲激勵(lì)和振動(dòng)聲激勵(lì)，再由壓電陶瓷片接收與鋁板中微小裂紋相互作用后的振動(dòng)聲調(diào)制信號(hào)，最后由示波器采集傳送給計(jì)算機(jī)。對(duì)收集到的信號(hào)進(jìn)行濾波濾除基波，留下由裂紋產(chǎn)生的特征信號(hào)。把特征信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)，同時(shí)用abaqus軟件建立和試件相同尺寸材料的模型，在和實(shí)際接收傳感器相同的點(diǎn)上施加時(shí)反特征信號(hào)并進(jìn)行仿真。最后在abaqus軟件后處理模塊中觀察試件的云圖，就可以確定信號(hào)聚焦在哪里。
[0018]具體操作方法如下:
在試件表面用環(huán)氧樹脂粘貼數(shù)個(gè)壓電陶瓷片，其中兩個(gè)壓電陶瓷片當(dāng)做激勵(lì)傳感器，其它的當(dāng)做接收傳感器。選擇信號(hào)發(fā)生器的掃頻模式，將信號(hào)輸入到壓電陶瓷片對(duì)試件進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)，找到它的模態(tài)頻率f\。再用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為的振動(dòng)信號(hào)和更高頻率的超聲信號(hào)，經(jīng)過功率放大器放大后輸入到兩個(gè)壓電陶瓷片中分別產(chǎn)生振動(dòng)聲激勵(lì)和超聲激勵(lì)。由其余的壓電陶瓷片接收振動(dòng)聲調(diào)制信號(hào)，經(jīng)由示波器傳遞給計(jì)算機(jī)。把接收到的信號(hào)進(jìn)行帶阻濾波，濾除基波頻率的信號(hào)，只留下由裂紋和聲波相作用產(chǎn)生的特征信號(hào)。選取合適的時(shí)間反轉(zhuǎn)窗T=[a，b]，把在時(shí)反窗內(nèi)的特征信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)，同時(shí)用abaqus有限元仿真軟件建立和試件相同尺寸材料的模型，把時(shí)反信號(hào)加載到模型中進(jìn)行仿真。在abaqus軟件的后處理云圖中觀察試件的應(yīng)變圖，在t=b時(shí)刻時(shí)反信號(hào)的聚焦位置即為裂紋的位置所在。
[0019]實(shí)例
動(dòng)聲調(diào)制檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括:長(zhǎng)400 mm、寬200 mm、厚2 mm，楊氏模量為72GPa，泊松比為0.35的薄鋁板，板中心有長(zhǎng)10mm，寬度為納微級(jí)的閉合裂紋；直徑為25mm、厚度為2 mm、中心頻率為40 kHz的厚度伸縮型壓電陶瓷片；信號(hào)發(fā)生器(DG1022U);示波器(DS2102);功率放大器(JYH-200M)等。
[0020]由于當(dāng)振動(dòng)信號(hào)頻率選用試件的模態(tài)頻率時(shí)，振動(dòng)聲調(diào)制現(xiàn)象最明顯。所以首先對(duì)試件進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，在信號(hào)發(fā)生器中選擇掃頻模式，開始頻率值設(shè)為1000Hz，結(jié)束頻率值設(shè)為6000Hz，幅值設(shè)為100V，采樣頻率設(shè)為1MHz。將信號(hào)輸入到壓電陶瓷片，對(duì)鋁板進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1000 Hz?5000 Hz頻率范圍內(nèi)存在兩個(gè)模態(tài)頻率，1200 Hz和3500Hz。然后用信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和兩個(gè)壓電陶瓷片產(chǎn)生振動(dòng)聲激勵(lì)和超聲激勵(lì)，其頻率分別為3500 Hz和40 kHz，電壓為100 V和50 V。再由另一組壓電陶瓷片接收振動(dòng)聲調(diào)制信號(hào)。圖2是其中一個(gè)接受傳感器得到的振動(dòng)聲調(diào)制信號(hào)圖。對(duì)它進(jìn)行濾波并取時(shí)間窗T=[0.2,0.5]ms進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)，得到如圖3所示的特征時(shí)反特征信號(hào)。在abaqus仿真軟件中建立相同尺寸，材料的鋁板模型，并在在和實(shí)際接收傳感器相同位置的點(diǎn)上施加相應(yīng)的時(shí)反特征信號(hào)并進(jìn)行仿真。圖4是裂紋處的聲波時(shí)域圖，可以看見特征時(shí)反信號(hào)在0.5ms處發(fā)生了時(shí)間上的聚焦。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于abaqus的金屬薄板微裂紋時(shí)間反轉(zhuǎn)定位方法，其特征在于:在試件表面用環(huán)氧樹脂粘貼數(shù)個(gè)壓電陶瓷片，其中兩個(gè)壓電陶瓷片當(dāng)做激勵(lì)傳感器，其它的當(dāng)做接收傳感器；選擇信號(hào)發(fā)生器的掃頻模式，將信號(hào)輸入到壓電陶瓷片對(duì)試件進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)，找到試件的模態(tài)頻率f1;再用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為f:的振動(dòng)信號(hào)和更高頻率的超聲信號(hào)，經(jīng)過功率放大器放大后輸入到兩個(gè)壓電陶瓷片中，分別產(chǎn)生振動(dòng)聲激勵(lì)和超聲激勵(lì)；由其余的壓電陶瓷片接收振動(dòng)聲調(diào)制信號(hào)，經(jīng)由示波器傳遞給計(jì)算機(jī)；把接收到的信號(hào)進(jìn)行帶阻濾波，濾除基波頻率的信號(hào)，只留下由裂紋和聲波相作用產(chǎn)生的特征信號(hào)；選取時(shí)間反轉(zhuǎn)窗T=[a，b]，把在時(shí)反窗內(nèi)的特征信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)，同時(shí)用abaqus有限元仿真軟件建立和試件相同尺寸材料的模型，把時(shí)反信號(hào)加載到模型中進(jìn)行仿真；在abaqus軟件的后處理云圖中觀察試件的應(yīng)變圖，在t=b時(shí)刻，時(shí)反信號(hào)的聚焦位置即為裂紋的位置所在。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于abaqus的金屬薄板微裂紋時(shí)間反轉(zhuǎn)定位方法。本發(fā)明采用把試驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法來解決技術(shù)問題，即首先通過試驗(yàn)獲得損傷對(duì)應(yīng)的散射信號(hào)，求其時(shí)間反轉(zhuǎn)，然后在模擬實(shí)際板材的abaqus有限元模型上重新激勵(lì)，獲得時(shí)反聲場(chǎng)的空間分布，實(shí)現(xiàn)損傷定位和成像。比起傳統(tǒng)的在試件上直接進(jìn)行時(shí)反激勵(lì)然后通過激光測(cè)振儀掃描整個(gè)板面來確定信號(hào)聚焦位置，本發(fā)明通過用有限元仿真軟件模擬時(shí)反聚焦過程成本更低，操作也跟方便省時(shí)。
【IPC分類】G01N29/44
【公開號(hào)】CN105353043
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510710297
【發(fā)明人】鄭慧峰, 方漂漂, 王月兵, 曹永剛, 郭世旭
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量學(xué)院
【公開日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年10月28日