研究背景及創(chuàng)新點

鋁合金板材在國防和工業(yè)等各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而在其制備、加工以及實際服役期間，因受到拉伸載荷、交變載荷等作用，鋁材會出現(xiàn)諸如塑性應(yīng)變和微裂紋等的早期損傷。鋁材的塑性變形并不能導(dǎo)致材料的彈性模量、聲速、聲衰減等材料聲屬性大尺度的變化，因此常規(guī)超聲檢測方法往往是失效的。

材料存在塑性損傷時，相關(guān)區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變呈非線性關(guān)系，從而使得傳播至該區(qū)域的超聲波產(chǎn)生了以二次諧波為主的高次諧波。非線性超聲檢測方法正是基于材料的這一非線性特征以實現(xiàn)材料微損傷檢測與性能評估。

對于材料微納尺度缺陷(位錯、微裂紋等)的檢測，常規(guī)非線性超聲檢測方法主要利用超聲體波、表面波或?qū)Рㄔ趥鞑ミ^程中遇到缺陷會產(chǎn)生高次諧波的非線性特性，實現(xiàn)對損傷的檢測。由于高次諧波具有易衰減和易受外界干擾的特性，不適于長距離傳播和檢測，各種環(huán)境因素容易引起檢測誤差和失效等問題。此外，由于電磁超聲換能效率較低，其非線性檢測效果無法滿足工程技術(shù)需求。

Lamb波在特定條件下可以產(chǎn)生隨著傳播距離累積的二次諧波，這一特性使得其在大尺寸結(jié)構(gòu)檢測方面相比于傳統(tǒng)的超聲非線性檢測方法具有明顯優(yōu)勢。本文提出基于二次諧波累積效應(yīng)的電磁超聲Lamb波非線性檢測方法，并將其應(yīng)用于鋁板的塑性損傷檢測。

課題組基于導(dǎo)波在固體中傳播的波動方程以及固體力學(xué)的非線性理論，推導(dǎo)了產(chǎn)生隨著傳播距離可累積的二次諧波的條件，即基波與二次諧波的相速度匹配，并且能量流不為0。通過計算Lamb波的頻散特性曲線，Lamb波S0模態(tài)500kHz的群速度為5.37mm/μs，與1MHz對應(yīng)的相速度近似相等，因此本文選擇頻率為500kHz的Lamb波S0模態(tài)作為超聲激勵信號。

論文采用Murnaghan模型進(jìn)行電磁超聲非線性有限元仿真分析，通過模擬不同程度的塑性損傷，觀察基波與二次諧波幅值的變化，進(jìn)而研究二次諧波的累積效應(yīng)。仿真結(jié)果顯示，隨著傳播距離的增加，基波幅值逐漸降低，基波的能量一部分隨著傳播距離衰減，一部分能量轉(zhuǎn)移到二次諧波；并且隨著傳播距離的增加，二次諧波幅值基本成線性增長，即該模態(tài)下產(chǎn)生了可累積的二次諧波；由此可知，傳播距離與相對非線性系數(shù)成線性關(guān)系，與理論分析相一致。

為了驗證仿真結(jié)果的正確性，利用電子萬能試驗機(jī)在位移控制模式下對厚度為1mm的6061鋁板進(jìn)行靜態(tài)拉伸，使被測件產(chǎn)生塑性變形。采用非線性電磁超聲檢測系統(tǒng)提取接收到的直達(dá)波波包信號進(jìn)行時頻域分析，研究6061鋁板中塑性損傷對電磁超聲Lamb波傳播特性的影響規(guī)律。

圖1 非線性電磁超聲檢測試驗平臺

圖2 相對非線性系數(shù)與超聲傳播距離的對應(yīng)關(guān)系

結(jié)論

對比完好試件和含塑性損傷試件的實驗結(jié)果可知：

1）當(dāng)超聲波傳播距離一定時，完好試件的基波幅值大于損傷試件的基波幅值，完好試件的二次諧波幅值小于損傷試件的二次諧波幅值，并且損傷試件的相對非線性系數(shù)也大于完好試件的相對非線性系數(shù)，即試件的非線性增加，從而也證明了塑性損傷使得基波的能量部分轉(zhuǎn)移到二次諧波；

2）對于損傷試件而言，隨著傳播距離的增加，基波幅值減小，二次諧波幅值增大，相對非線性系數(shù)增加，即在該實驗條件下，系統(tǒng)產(chǎn)生了可累積的二次諧波，并且傳播距離與二階相對非線性系數(shù)基本成線性增加的關(guān)系，因此累積效應(yīng)適用于鋁材塑性損傷區(qū)域長度的定量檢測。

團(tuán)隊介紹

張闖教授

張闖，博士，教授，博士生導(dǎo)師，河北省高校優(yōu)秀青年基金獲得者，中國電工技術(shù)學(xué)會青工委委員，現(xiàn)任省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室副主任、河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室副主任。主要從事電磁無損檢測與評估、工程電磁場與新技術(shù)等方面的研究。

團(tuán)隊合影