金属板疲劳裂纹非线性兰姆波检测传感阵列及成像系统研制

Metal plate or palte-like structue is widely used in various equipments, and fatigue crack is one of the most common damage in metal plate. It is difficult for traditional nondestructive testing techniques to detect the fatigue crack due to its closed interface and widely distribution. A nonlinear acoustic technique to combine phased array and nonlinear Lamb waves is proposed to detect the fatigue crack in metal plate. The main contents include: 1) Consider the multiple nonlinear effects, the nonlinear acoustic recognition method for fatigue crack is investigated; 2) Develop phased array for Lamb waves excitation, and optimiz the parameters of the array; observe the distribution of acoustic diffuse field in time-space, and develop a source location method using nonlinear Lamb waves; 3) Conduct experiments for fatigue crack detection in metal plate, and investigate the effect of experimental parameters on the defect detection. Considering the multiple nonlinear effects, a nonlinear Lamb waves technology using phased array is proposed, and sensor array and image system for nonlinear Lamb waves inspection is developed. Research work of the project not only enriches the theory of nonlinear ultrasonics, but also provides strong technical support for early fatigue damage detection in engineering plate.

板状或类板状金属结构在各类装备中广泛使用，疲劳裂纹是其主要损伤形式。由于疲劳裂纹的界面呈闭合状态，且具有分布范围广的特点，极大增加了板结构无损检测的难度。本项目将相控阵技术和非线性兰姆波技术相结合，发展一种阵列式非线性兰姆波检测技术，用于金属板结构中疲劳裂纹检测。研究内容包括：1）考虑多种非线性效应，研究疲劳裂纹的非线性表征方法；2）研制单模态兰姆波传感器阵列，并对其结构参数进行优化设计。分析不同相控聚焦方式下扩散声场的时间、空间分布特性，研究非线性源定位方法。3）开展板类金属构件疲劳裂纹非线性兰姆波检测实验，研究各类参数对疲劳裂纹检测的影响，并进行工程化应用。通过项目研究，提出一种考虑多种非线性效应的阵列式非线性兰姆波检测方法，并进行单模态兰姆波传感器阵列研制及非线性兰姆波成像系统开发。项目研究工作不仅丰富了非线性超声检测理论，也为板状金属构件早期疲劳损伤检测提供了有效的技术手段。

板状或类板状金属结构在各类装备中广泛使用，疲劳裂纹是其主要损伤形式。由于疲劳裂纹的界面呈闭合状态，且具有分布范围广的特点，极大增加了板结构无损检测的难度。针对金属结构中疲劳裂纹检测与定量评价难题，本项目将阵列检测技术与非线性超声技术相结合，发展一种阵列式非线性超声检测技术。通过项目研究取得以下研究成果：1）对结构中超声波与疲劳裂纹的混频非线性作用进行了数值仿真研究，分析了混频声场指向性随裂纹方向的变化规律，并对疲劳裂纹长度与混频声场的覆盖范围的关系进行了量化分分析。在此基础上，提出了一种基于横波非共线混频技术的疲劳裂纹长度和角度测量方法；2）基于匹配滤波原理，开展了多模态兰姆波分离方法研究。在此基础上，提出了一种基于相位的兰姆波阵列矢量全聚焦成像方法，实现板中开口裂纹的检测及定量识别；3）考虑超声波与微缺陷相互作用的多种非线性效应，研究相控阵聚焦方式、聚焦点处非线性效应与其损伤状态的关系，分析扩散声场能量与非线性效应的关系，提出一种基于不同相控阵聚焦方式下扩散声场能量的非线性成像方法，并将其应用于金属结构中疲劳裂纹检测； 4）研制了一系列单模态兰姆波传感器阵列，并开发一套阵列式超声成像系统和一套水浸式非共线横波混频检测系统。5）在以上检测方法研究基础上，将提出的3种检测方法应用于金属构件种不同程度裂纹检测实验，结果表明，兰姆波线性阵列成像方法可以实现板结构种开口裂纹检测，基于横波非共线混频检测方法和基于不同相控阵聚焦方式下扩散声场能量的非线性成像方法可以实现金属构件中疲劳裂纹检测及成像。研究工作为金属构件早期疲劳裂纹检测提供了有效的技术手段。