焊縫特征導(dǎo)波模態(tài)的數(shù)值模擬和實驗研究.pdf

1、焊接是工業(yè)生產(chǎn)和建造中的關(guān)鍵連接技術(shù)，焊接結(jié)構(gòu)的安全性直接影響著工業(yè)生產(chǎn)的效率和安全。傳統(tǒng)的焊縫無損檢測方法都是對被測焊縫逐點檢測，相對于長距離焊縫檢測效率較低，不適用于大規(guī)模焊接結(jié)構(gòu)的檢測。
　　超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的主要原理是利用聲傳播介質(zhì)的邊界特性形成波導(dǎo)，使聲波沿著邊界傳播而不發(fā)生擴散和泄漏，因而其具有傳播距離遠、檢測效率高等優(yōu)點。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，利用焊接結(jié)構(gòu)的幾何特性，某些導(dǎo)波模態(tài)能夠沿著焊縫無泄漏的傳播，這將為焊縫快速無損檢測

2、提供革命性的新方法。對此，通過理解焊縫中每種模態(tài)的位移場和頻散特性，找到焊縫中泄漏少、頻散小、最適宜焊縫傳播的導(dǎo)波模態(tài)是至關(guān)重要的。本文圍繞焊縫特征導(dǎo)波的理論基礎(chǔ)、數(shù)值模擬、實驗系統(tǒng)及激勵接收方式設(shè)計等展開了研究，主要研究內(nèi)容如下:
　　1)在現(xiàn)有導(dǎo)波模態(tài)及其傳播特性理論研究的基礎(chǔ)上，從理論上分析了焊縫特征導(dǎo)波的形成機理;結(jié)合焊縫結(jié)構(gòu)和焊縫特征導(dǎo)波的復(fù)雜性，建立基于“半解析有限元法”的對接焊縫有限元模型，引入周期性邊界條件，兼顧計

3、算精度和效率的同時，獲得了每種導(dǎo)波模態(tài)的精確位移場。通過對低頻焊縫特征導(dǎo)波的位移分析，探討了焊縫結(jié)構(gòu)對導(dǎo)波模態(tài)位移的影響，找出焊縫中存在的四種基態(tài)導(dǎo)波，分別命名為SHw0、Sw0、Aw0、Tw0導(dǎo)波，并分析了這四種導(dǎo)波的位移和頻散，探討了這幾種模態(tài)波的應(yīng)用價值。
　　2)分析了100KHz-400KHz頻率下的焊縫特征導(dǎo)波模態(tài)，比較SHw0模態(tài)和SHw1模態(tài)的波結(jié)構(gòu)，提出利用SHw1模態(tài)導(dǎo)波的少泄漏、低頻散的特性，將其運用于焊縫缺

4、陷檢測;重點研究SHw1模態(tài)導(dǎo)波的頻散曲線，發(fā)現(xiàn)相同頻率下，相同材料的對接焊縫結(jié)構(gòu)中，SHw1模態(tài)的相速度及群速度與焊縫厚度密切相關(guān)，這大大簡化了SHw1模態(tài)導(dǎo)波在實際檢測中的應(yīng)用。
　　3)建立焊縫特征導(dǎo)波激勵接收試驗系統(tǒng)，設(shè)計了SHw1模態(tài)焊縫特征導(dǎo)波的激勵接收單元，通過試驗驗證了SHw1模態(tài)導(dǎo)波在17.6mm厚鋼材料對接焊縫中的傳播、分布、衰減，并探討這種模態(tài)導(dǎo)波的優(yōu)化激勵方法，所用壓電品片陣列大大減小了邊界干擾模態(tài)的影響，

5、所激勵的SHw1模態(tài)焊縫特征導(dǎo)波能準確定位距離導(dǎo)波激勵端62.5cm外直徑3mm的孔洞缺陷。
　　本文的創(chuàng)新點在于:
　　1)本文研究了焊縫中的特征導(dǎo)波模態(tài)且將研究對象擴展到高階導(dǎo)波，試驗中頻率遠遠高于國內(nèi)外學(xué)者現(xiàn)有研究結(jié)果，這更利于檢測焊縫中的微小缺陷。
　　2)確定了SHw1模態(tài)導(dǎo)波，該模態(tài)導(dǎo)波的位移場更集中，限波效應(yīng)更明顯。
　　3)研究并搭建了基于壓電陶瓷的焊縫特征導(dǎo)波激勵、接收裝置，相對于實驗室常用的光