大角度圆柱楔体中楔波传播特性的数值模拟研究
摘 要关于理想楔体顶端传播的楔形波的研究中被发现一些不同寻常的特性，这些特性引发众多国内国外研究人员的注意和广泛关注，超声波的能量集中于楔体顶端而且传播的速度非常慢是这些特性的主要表现。本论文的主要研究内容就是基于这些不同寻常的特性使用ansys13.0进行模拟仿真获得相关仿真数据，通过多种大角度（45°60°70°80°）的仿真取得模拟数据研究新的特性。首先在设计模型之前先进行材料数据和预先设置模型参数的预设, 随后设计使用不同角度的楔体，对沿楔尖方向激发产生一个超声脉冲并针对楔形波展开模拟性的研究。均匀步进逐步扫描楔尖方向，表面扫描图将会在扫描沿楔尖方向的楔形波结束后获得。提取获得的扫描结果，获得楔形波的频散曲线图的方法是Matlab中编写程序使每一点的振动通过二维傅里叶变换。在整个研究中沿着横断面方向均匀步进扫描楔形波贯穿整个模拟过程。时间（x）-位移（y）图显示的是间距相同楔尖位置不同的楔形波的，楔形波在楔尖上的能量分布图的获得是在在横断面方向上的表面扫描图通过积分计算。楔形波沿本模拟仿真用的铝的参数设定顶端仿真传播时可以发现：楔形波传播的能量主要集中在模型楔体顶端远离楔尖的位置，能量呈现指数衰减，距离楔尖大约两个楔形波波长的距离，楔形波能量衰减趋于稳定。在模拟的结果中分析可以发现的规律：楔体楔尖顶角角度的增大，在模拟结果中，沿楔尖方向传播的的模态数（楔形波）却减少。45°有两个模态，但是60°、70°、80°仅有一个模态。由此可以看出模拟仿真还是和理论一致的。ASF楔形波在楔状的工程器件的无损检测和相关的信号处理等工程中的实际应用提供参考，本篇论文的研究结果和参数可用于楔形波在大角度楔尖传播的相关研究。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1关于大角度楔体ASF楔形波研究背景及意义 1
1.1.1关于大角度楔体ASF楔形波研究背景 1
1.1.2大角度楔体ASF楔形波研究意义 2
1.2目前国内外主要研究进展 3
1.3 ASF模式激发楔形波的研究进展 4
1.4 本论文的主要研究工作 5
第2章关于ASF模式楔形波在楔体的基本理论 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
/> 2.1 ASF模式楔形波的激发和基本理论 7
2.2薄板近似理论和几何声学理论 7
2.2.1 薄板近似理论 7
2.2.1.1 沿理想楔体顶端传播的弯曲楔形波模态 9
2.2.1.2 沿带截面的楔体传播的弯曲楔形波模态 10
2.2.2 几何声学理论 10
2.3本章小结 13
第3章ASF模式楔形波的数值模拟研究 14
3.1 ASF模式楔形波的频散特性研究 14
3.2圆柱楔体顶角对ASF模式楔形波的波形的影响 15
3.3直线楔体顶角对ASF模式楔形波的波形的影响和圆柱楔体作对比 20
第4章 总结与展望 26
4.1 总结 26
4.2 研究展望 26
致 谢 28
参考文献 29
附录 31
第1章 绪论
1.1关于大角度楔体ASF楔形波研究背景及意义
随着近现代工业和科学技术的发展和进步, 对材料进行无损检测具有十分重要的意义，它是保证生产产品质量、减小原材料损耗必须要的检测方法。工业生产中和工程中需要对材料和构件进行无损检测以满足材料的质量、构件的可靠性、生产相关的安全性的提出更高的要求这是保证生产的安全和产品整体的质量的前提。被测件运动速度很快时或者工程构件具有复杂形状在一些恶劣环境中，传统的检测方法已经不能完全满足要求和现代工业需求。
1.1.1关于大角度楔体ASF楔形波研究背景
最重要的手段应运而生，那就是超声无损检测技术，它已逐渐成为材料无损检测重要方法。在对无损检测技术有着更为高的要求的行业中特别是在汽车工业、航空航天工业、船舶工业、能源与材料工业等高新技术非常集中的领域，它的优势是无法被其它无损检测技术替代的。
关于无损检测技术(NDT,NonDestruetiveTesting)的定义就是利用材料内部结构异常或者内部结构缺陷的存在所引起的对光、电、热、声、磁等反应的变化,以检测各种工程材料、零部件、工程构件等内部和表面的缺陷,并对缺陷的形状、位置、类型、性质、数量、尺寸、分布及变化做出相应判断和评价。并且不损害和不影响被检测对象工程构件使用性能,
关于无损检测技术所涉及了电磁学、声学、光学、原子物理学以及计算机、数据通讯、信号处理等学科, 在保证工业生产安全和确保产品质量上发挥了重要作用，现在已广泛应用于现代工业领域和高科技领域之中。超声检测(UT)、射线照相检测(RT)等作为工程中最常用的五大常规无损检测技术。
超声检测是指通过激发超声波与试件进行相互作用[1],对散射、超声信号透射和反射的超声波信号进行研究,对试件进行几何特性测量、宏观缺陷检测、组织学结构和力学性能变化的检测和表征,进而对其特定应用性和信号采集进行评价的一种无损检测技术。超声无损检测得到了广泛的应用原因在于超声波具有穿透能力强、对材料和人体无损伤、检测准确度高、方向性好等特点。
1.1.2大角度楔体ASF楔形波研究意义
本毕业设计研究的ASF模式楔形波，在楔尖处开始激发和探测。在工业领域我们都知道金属板材有着广泛的应用特别在化学化工工业、汽车工业、船舶相关制造工业、航空航天工业、机械制造等方面。概率生发生的的缺陷会在金属板材加工成形的过程中会出现[2]。这种缺陷对构件的使用和生产的安全造成威胁。这些缺陷可能酿成巨大的破坏事故，而其中的原因或许是因为这类型金属板材在使用时由于外部应力等作用和工人使用操作时环境湿度、温度的变化,都可能引起其内部缺陷的扩大,引成金属疲劳。由此看来为了保证生产的安全必须要对金属板材进行无损检测。需要楔形波无损检测的应用面也非常广比如检测螺旋状钻头、机械工具的刀刃、飞机螺旋桨桨叶
物理，化学或生物传感器中表面声波（SAW）传感器常用作为重要的一部分。小的质量变化的检测该结果从耦合到所述涂覆层的结合有源传感器表面是表面波该传感器原理。表面层行进在传感器的表面非常敏感的附加质量加载使得声波的速度波通过。
采用纵波和超声波横波进行检测是超声波无损检测的应用中通常的分类,但是对于小角度楔体形构件无论选择横波的激发源探伤还是纵波激发源探伤都很困难特别是对于薄板理论。超声波在传播过程中会在薄板上下表面不断反射,使得超声波在薄板上传播一定距离后发生改变,变成另一种超声波即Lamb波。Lamb波的定义：由纵波和横波共同合成的特殊形式应力波是一种在厚度与激励波长达到相同数量级的声波, 传播速度快、传播距离远是lamb波具备的特点, 板形结构的大面积无损检测中利用这种特性非常适合,最早应用在金属薄板的超声无损检测就是Lamb波检测技术。
超声波无损检测技术随着现代技术的发展,Lamb波的应用不仅仅可以用于金属薄板探伤,lamb超声无损检测还可以用于各种复合材料的检测以及输油输气管道的无损探伤和安全监控[3]。超声波无损检测技术中最常用的就是Lamb波无损检测而lamb波已然成为一种导波形式。综上所述促进无损检测技术的发展的道路中对Lamb波进行理论和实验上的研究仿真有重要意义,对工业生产也极具实际应用价值。
传播特性方面十分复杂Lamb波,主要体现在它的导波频散特性和多模态现象。Lamb波的速度随频率的变化而发生变化就是频散特性, 同一频率下对应着多种不同的Lamb波模式即多模态特性。材料超声无损检测的重要依据之一就是Lamb波频散特性,而各模态的频散特性使得Lamb波信号相关检测变得十分复杂, 必须了解Lamb波的传播规律作为前提才能在超声无损检测中有效地应用Lamb波,并根据lamb波频散特性确定检测方案。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1关于大角度楔体ASF楔形波研究背景及意义 1
1.1.1关于大角度楔体ASF楔形波研究背景 1
1.1.2大角度楔体ASF楔形波研究意义 2
1.2目前国内外主要研究进展 3
1.3 ASF模式激发楔形波的研究进展 4
1.4 本论文的主要研究工作 5
第2章关于ASF模式楔形波在楔体的基本理论 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
/> 2.1 ASF模式楔形波的激发和基本理论 7
2.2薄板近似理论和几何声学理论 7
2.2.1 薄板近似理论 7
2.2.1.1 沿理想楔体顶端传播的弯曲楔形波模态 9
2.2.1.2 沿带截面的楔体传播的弯曲楔形波模态 10
2.2.2 几何声学理论 10
2.3本章小结 13
第3章ASF模式楔形波的数值模拟研究 14
3.1 ASF模式楔形波的频散特性研究 14
3.2圆柱楔体顶角对ASF模式楔形波的波形的影响 15
3.3直线楔体顶角对ASF模式楔形波的波形的影响和圆柱楔体作对比 20
第4章 总结与展望 26
4.1 总结 26
4.2 研究展望 26
致 谢 28
参考文献 29
附录 31
第1章 绪论
1.1关于大角度楔体ASF楔形波研究背景及意义
随着近现代工业和科学技术的发展和进步, 对材料进行无损检测具有十分重要的意义，它是保证生产产品质量、减小原材料损耗必须要的检测方法。工业生产中和工程中需要对材料和构件进行无损检测以满足材料的质量、构件的可靠性、生产相关的安全性的提出更高的要求这是保证生产的安全和产品整体的质量的前提。被测件运动速度很快时或者工程构件具有复杂形状在一些恶劣环境中，传统的检测方法已经不能完全满足要求和现代工业需求。
1.1.1关于大角度楔体ASF楔形波研究背景
最重要的手段应运而生，那就是超声无损检测技术，它已逐渐成为材料无损检测重要方法。在对无损检测技术有着更为高的要求的行业中特别是在汽车工业、航空航天工业、船舶工业、能源与材料工业等高新技术非常集中的领域，它的优势是无法被其它无损检测技术替代的。
关于无损检测技术(NDT,NonDestruetiveTesting)的定义就是利用材料内部结构异常或者内部结构缺陷的存在所引起的对光、电、热、声、磁等反应的变化,以检测各种工程材料、零部件、工程构件等内部和表面的缺陷,并对缺陷的形状、位置、类型、性质、数量、尺寸、分布及变化做出相应判断和评价。并且不损害和不影响被检测对象工程构件使用性能,
关于无损检测技术所涉及了电磁学、声学、光学、原子物理学以及计算机、数据通讯、信号处理等学科, 在保证工业生产安全和确保产品质量上发挥了重要作用，现在已广泛应用于现代工业领域和高科技领域之中。超声检测(UT)、射线照相检测(RT)等作为工程中最常用的五大常规无损检测技术。
超声检测是指通过激发超声波与试件进行相互作用[1],对散射、超声信号透射和反射的超声波信号进行研究,对试件进行几何特性测量、宏观缺陷检测、组织学结构和力学性能变化的检测和表征,进而对其特定应用性和信号采集进行评价的一种无损检测技术。超声无损检测得到了广泛的应用原因在于超声波具有穿透能力强、对材料和人体无损伤、检测准确度高、方向性好等特点。
1.1.2大角度楔体ASF楔形波研究意义
本毕业设计研究的ASF模式楔形波，在楔尖处开始激发和探测。在工业领域我们都知道金属板材有着广泛的应用特别在化学化工工业、汽车工业、船舶相关制造工业、航空航天工业、机械制造等方面。概率生发生的的缺陷会在金属板材加工成形的过程中会出现[2]。这种缺陷对构件的使用和生产的安全造成威胁。这些缺陷可能酿成巨大的破坏事故，而其中的原因或许是因为这类型金属板材在使用时由于外部应力等作用和工人使用操作时环境湿度、温度的变化,都可能引起其内部缺陷的扩大,引成金属疲劳。由此看来为了保证生产的安全必须要对金属板材进行无损检测。需要楔形波无损检测的应用面也非常广比如检测螺旋状钻头、机械工具的刀刃、飞机螺旋桨桨叶
物理，化学或生物传感器中表面声波（SAW）传感器常用作为重要的一部分。小的质量变化的检测该结果从耦合到所述涂覆层的结合有源传感器表面是表面波该传感器原理。表面层行进在传感器的表面非常敏感的附加质量加载使得声波的速度波通过。
采用纵波和超声波横波进行检测是超声波无损检测的应用中通常的分类,但是对于小角度楔体形构件无论选择横波的激发源探伤还是纵波激发源探伤都很困难特别是对于薄板理论。超声波在传播过程中会在薄板上下表面不断反射,使得超声波在薄板上传播一定距离后发生改变,变成另一种超声波即Lamb波。Lamb波的定义：由纵波和横波共同合成的特殊形式应力波是一种在厚度与激励波长达到相同数量级的声波, 传播速度快、传播距离远是lamb波具备的特点, 板形结构的大面积无损检测中利用这种特性非常适合,最早应用在金属薄板的超声无损检测就是Lamb波检测技术。
超声波无损检测技术随着现代技术的发展,Lamb波的应用不仅仅可以用于金属薄板探伤,lamb超声无损检测还可以用于各种复合材料的检测以及输油输气管道的无损探伤和安全监控[3]。超声波无损检测技术中最常用的就是Lamb波无损检测而lamb波已然成为一种导波形式。综上所述促进无损检测技术的发展的道路中对Lamb波进行理论和实验上的研究仿真有重要意义,对工业生产也极具实际应用价值。
传播特性方面十分复杂Lamb波,主要体现在它的导波频散特性和多模态现象。Lamb波的速度随频率的变化而发生变化就是频散特性, 同一频率下对应着多种不同的Lamb波模式即多模态特性。材料超声无损检测的重要依据之一就是Lamb波频散特性,而各模态的频散特性使得Lamb波信号相关检测变得十分复杂, 必须了解Lamb波的传播规律作为前提才能在超声无损检测中有效地应用Lamb波,并根据lamb波频散特性确定检测方案。
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