专利名称：多裂纹的非线性超声定位方法
技术领域：
本发明涉及利用超声波进行材料无损检测的新型方法，尤其是对多裂纹的非线性超声定位方法。
背景技术：
无损检测是现代工业许多领域中保证产品质量与性能、稳定生产工艺的重要手段。当今世界各发达国家都越来越重视无损检测技术在国民经济各部门中的作用，日本最近制定的21世纪优先发展四大技术领域之一的设备延寿技术中，把无损检测放在十分重要的位置。无损检测是指在不损伤被测材料的情况下，检查材料的内在或表面缺陷，或测定材料的某些物理量、性能、组织状态等的检测，它是把一定的物理量加到被检物上去再使用特定的检测装置来检测这种物理量的穿透、散射、反射、漏泄、渗透等现象的变化，从而检查被检物有没有异常，常用的无损检测技术有射线探伤、超声检测、渗透探伤以及磁粉探伤等。他们各有特点和适用性，一种方法通常难以满足要求，通常有各自的局限性，需要不同的方法互相补充。自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。超声检测是工业上无损检测的方法之一，超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，发射和接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来，并且能显示内部缺陷的位置和大�。舛ú牧虾穸鹊�。但是，对于金属内闭合微裂纹，传统的检测技术以及线性超声检测技术难以检测， 所以这种裂纹的漏检是造成航天器与飞机失实的主要原因之一。目前，国内外许多研究机构也把金属内闭合裂纹的无损检测作为重点课题进行研究。经过最近若干年的努力，力学、 声学和材料学领域的科学家和工程师们在这方面取得了一些进展，人们发现微孔和微裂纹与超声波透过材料传播的非线性效应密切相关，一系列的试验表明微孔和微裂纹总是伴随着某种形式的材料非线性力学行为，从而引起超声波传播的非线性，即高频谐波的产生。 一般而言，金属内闭合微裂纹在超声激励下将产生非线性超声振动，通过对其分析、研究可以对金属内闭合微裂纹进行有效的判断和检测。相对于基频来说，高频谐波参量对材料微孔和微裂纹等更为敏感。因此，通过测量高次谐波系数，可以评价材料的微孔和微裂纹，这为超声无损检测与评价技术的发展提供了新的思路。然而，利用非线性声学进行裂纹检测尚处于起步阶段，虽 然大量的实验证实高次谐波参量对于材料微裂纹比线性参量来的更为敏感，但是，目前的非线性声学无损检测水平还只停留在判断材料内部微裂纹的有无之上，而对于多裂纹的准确定位以及其大小的判断却无能为力。
三、发明内容
本发明的目的是提出一种新型的多裂纹非线性超声定位方法，充分发挥高次谐波对材料内部微裂纹的敏感特性，而达到利用非线性超声对材料内部裂纹的检测目的。降低无损检测的成本，也使多个闭合微裂纹的非线性超声定位成为可能。本发明的技术方案多裂纹的非线性超声定位方法，构造材料的不对称边界条件， 利用不对称边界条件所引起的共振频率的不等间隔特性，以及由于材料内部裂纹振动的非线性所产生的高次谐波不能满足材料的共振频率却要满足边界条件而引起的各条裂纹两端的振动幅度的差异来进行的多条裂纹定位，使被测材料处于不对称的边界条件下，分析高次谐波的大小进行裂纹定位以及裂纹大小的判断，具体方法是使用接触检测技术，被测材料制备成长为L，密度为P的棒，其总质量为M，横截面积为S，杨氏模量为E，被测材料一端耦合上超声换能器，激发换能器的检测频率为材料的共振频率，材料的另一端加上一质量负载m，以使得这一端处于带有负载的边界条件下，且使材料处于不对称的边界条件下； 用圆频率为ω的声源激励此棒，然后使用加速度计或应力计沿振动传播方向进行扫描，分析扫描中得到的高次谐波的振动幅度以及相位随位置的变化关系，来达到裂纹的定位目的。利用不对称边界条件来达到消除裂纹位置 的不确定性；假设棒中共有η条微裂纹，长度L时，得到第i个本征频率下的波数k”通过测量与计算可以得出这一本征频率下波动解中的系数基波幅度H，三次谐波各裂纹两边的余弦分量系数A31，A32，...A3(n+1)以及正弦分量系数B31，B32，. . . B3(n+1)，5次谐波裂纹两边的余弦分量系数A51，A52，. . . A5(n+1)，以及正弦分量系数B51，B52，...B5(n+1)，其中Xij表示第j个裂纹左边的由第i次谐波引起的正余弦分量的幅度。以上数值模拟中各系数的正负号可以通过扫描测量时的相位判定。通过波动解得到的系数来反演出裂纹位置及其大小。通过反演不难得到第一条裂
纹的3次谐波定位x 131，Χ132，· · · x13m，5次谐波定位x 151，X152，0 0 0 X15n， 其中xijk表示第i条
裂纹通过第j次谐波所计算出的第k个可能解；由于实际情况中的第一个裂纹的位置是唯一的，对比以上数据可以发现第一条微裂纹的实际位置为X13i即X1 ；通过3次谐波和5次谐波得出的图的比较，通过对比很容易发现只有在X13i出裂纹的可能位置是完全重合的；同样计算得到第二条裂纹的3次谐波定位x231，X232，。。。x23m，5次谐波定位x251，X252，。。。，x25n ； 由于实际的第二条裂纹位置也是唯一的，且应在第一条裂纹之后，对比以上数据很容易发现x23i即x2。同样的方法可以判断其他更多的裂纹。最后通过激发第一共振频率所得到的裂纹位置与其他共振频率所得到的可能裂纹位置的对比进行裂纹定位精度的改善。本发明与现有技术相比具有的特点是对测试材料附加上了不对称的边界条件， 解决了使用非线性超声检测对于对称位置上的裂纹不可分辨的问题，利用了材料内由于微裂纹而产生的高次谐波不能满足材料的本征频率而导致的各条裂纹两端振动幅度的差异， 提出了对于多条裂纹的定位方法。此发明可用于各种材料的缺陷检测，提高微裂纹检测的可靠性以及裂纹位置的定位和大小的判断，可以大大减少无损检测成本，为非线性超声无损检测开辟了新的思路。
四
图1试验系统框2带缺陷材料几何分布图
图3中是裂纹可能位置对比图， 其中图3a通过3次谐波(上)以及5次谐波(下)得出的第一条裂纹位置对比3b通过3次谐波(上)以及5次谐波(下)得出的第二条裂纹位置对比3c裂纹对比合成4对比与处理后的实际裂纹分布5两条裂纹的裂纹位置与激发频率对比图，图5a-图5e均是裂纹位置推断。a 第一本征频率裂纹推断图。b 第二本征频率裂纹推断图。c 第三本征频率裂纹推断图。d:第四本征频率裂纹推断图。e第五本征频率裂纹推断图。五、具体实现方案对于此发明的有效性以及可行性，我们进行了数值模拟。如图2所示，长为L，密度为P的金属棒，其总质量为M，横截面积为S，杨氏模量为E，一端自由，一段有质量负载m， 用圆频率为ω的声源激励，假设棒中共有η条微裂纹，裂纹的中心分别处于χ = χι，χ2，Λ χη 处，裂纹有效长度分别为屯，屯，Adn，且满足= 1,2, An)。为简单起见而又不失
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一般性，我们假定棒中的裂纹数为两条。后文中的数值模拟，均使用以下数据使i = G+5，
可以得到第一个本征频率Ic1L = 2. 289，第二个本征频率k2L = 5. 087。第一本征频率下，取 L = O. 2m,则 Ii1 = 11. 44m"1 ο 第二本征频率下，取 L = O. 2m,则 k2 = 25. 43m"1,品质因子 Q = 80,横截面积 S = 2. 5X10_3m2，棒中声速 c = 6. 0X103m/s，棒的密度 P = 7. 8 X 103kg/m3， 作用力幅度F = IO5N,非线性参数α = 2000，我们使用第一本征频率激发，ki = 11.44ΠΓ1， (O1 = 6. 867X10^(1/8,^ = 10. 93kHz，并且假定两个裂纹处于 X1 = 6cm，X2 = 11cm，裂纹的宽度分别为Cl1 = 0. 5mm, d2 = 1. 8mm。解波动方程后得出各次谐波在各裂纹两端的质点位移为
^231 = cos 3Ax + B31 sin 3kx) sin 3cot\ ξ232 = (A32 cos3L· + B32 sin 3Ax) sin (1)
ξ233 = (A33 cos3Ax + B33 sin 3kx) sin 3cot ξ2 1 = (A51 cos 5kx + B51 sin 5kx) sin 5ω \ ξ252 = (A52 cos5kx + B52 sin 5kx)sin 5ω (2)
ξ253 = (A53 cos Skx + B53 sin 5kx) sin 5ω 其中，ξ iJk表示i阶近似下j次谐波在第k-Ι与第k个裂纹之间的棒中质点振动位移。其大小与各参数之间的关系为
D31 cos3bq + D32 cos3fa2 + D31j^3 sin+ D32J3 sin 3kx2 31 = ^
D31 CosSkxl -l·D32(cos3kx2 +χ3 sinSkx2)
32 = ^D3lCOsSkxl(3)
32 3k
D31 CosSfa1 +D32 cos3fa2
33 =
_ D31 cos3bq +D32 cos3fa2 .33 =3k
权利要求
1.多裂纹的非线性超声定位方法，其特征是构造材料的不对称边界条件，利用不对称边界条件所引起的共振频率的不等间隔特性，以及由于材料内部裂纹振动的非线性所产生的高次谐波不能满足材料的共振频率却要满足边界条件而引起的各条裂纹两端的振动幅度的差异来进行的多条裂纹定位，分析高次谐波的大小进行裂纹定位以及裂纹大小的判断，具体方法是使用接触检测技术，被测材料制备成长为L，密度为P的棒，其总质量为M， 横截面积为S，杨氏模量为E，被测材料一端耦合上超声换能器，激发换能器的检测频率为材料的共振频率，另一端自由，材料的另一端加上一质量负载m，以使得这一端处于带有负载，使材料处于不对称的边界条件下；用圆频率为ω的声源激励此棒，然后使用加速度计或应力计沿振动传播方向进行扫描，分析扫描中得到的高次谐波的振动幅度以及相位随位置的变化关系，来达到裂纹的定位目的。
2.根据权利要求1所述的多裂纹的非线性超声定位方法，其特征是利用不对称边界条件来达到消除裂纹位置的不确定性；假设棒中共有η条微裂纹，长度L时，得到第i个本征频率下的波数h。通过测量与计算可以得出这一本征频率下的波动解中的系数基波幅度H，三次谐波各裂纹两边的余弦分量系数A31，A32，。。。，A3(n+1)，以及正弦分量系数B31， B32，...B3(n+1)，5次谐波裂纹两边余弦分量系数A51，A52...，A5(n+1),以及正弦分量系数B31， B52. . .，B5(n+1)，其中Xij表示第j个裂纹左边的由第i次谐波引起的正余弦分量的幅度。以上数值模拟中各系数的正负号可以通过扫描测量时的相位判定。通过波动解得到的系数来反演出裂纹位置及其大小。通过反演不难得到第一条裂纹的 3次谐波定位x131，X132，... x13m，5次谐波定位x151，x152, ... x15n，其中xuk表示第i条裂纹通过第j次谐波所计算出的第k个可能解；由于实际情况中的第一个裂纹的位置是唯一的， 对比以上数据可以发现第一条微裂纹的实际位置为X13i即X1 ；通过3次谐波和5次谐波得出的图的比较，通过对比很容易发现只有在X13i出裂纹的可能位置是完全重合的；同样计算得到第二条裂纹的3次谐波定位x231，x232... x23m，5次谐波定位x251 X252,... X25m ；由于实际的第二条裂纹位置也是唯一的，且应在第一条裂纹之后，对比以上数据很容易发现X23i即 X20同样的方法可以判断其他更多的裂纹。最后通过激发第一共振频率所得到的裂纹位置与其他共振频率所得到的可能裂纹位置的对比进行裂纹定位精度的改善。
全文摘要
多裂纹的非线性超声定位方法，构造材料的不对称边界条件，利用不对称边界条件所引起的共振频率的不等间隔特性，以及由于材料内部裂纹振动的非线性所产生的高次谐波不能满足材料的共振频率却要满足边界条件而引起的各条裂纹两端的振动幅度的差异来进行的多条裂纹定位，分析高次谐波的大小进行裂纹定位以及裂纹大小的判断，使用接触检测技术，使被测试材料处于不对称的边界条件中，一端耦合发射换能器，发射换能器激发的检测频率为被测材料的某一共振频率，利用材料内由于微裂纹而产生的高次谐波的谐波频率不能满足材料的共振频率但却要满足边界条件而导致材料内各条裂纹两端的振动幅度的差异来进行多条裂纹的定位。滤除“虚假”裂纹的产生并达到精度改善的目的。
文档编号G01N29/12GK102175770SQ20111000200
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月7日 优先权日2011年1月7日
发明者全力, 刘晓宙, 龚秀芬 申请人:南京大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
