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摘 要

复合材料作为目前大量使用的工业材料，由于其工作环境恶劣，易产生材料疲劳失效。通过超声波对材料进行无损探伤，可以了解材料内外产生的细小裂纹，可以对材料疲劳失效进行提前预防和护理。由于复合材料的各向异性，Lamb波在材料传播中是不均匀的。本文通过有限元仿真模拟的手段来模拟超声波在复合材料中的传播情况，以分析超声波在复合材料中的传播特性，主要内容包括：

(1) 择合适的激励频率，通过GUIGUW进行复合材料板频散曲线的绘制；

(2) 使用Abaqus软件建立复合材料板的模型，模拟Lamb波在复合材料板中传播的方式，并以此得出Lamb波在复合材料板中的传播应力云图以及不同时刻下应力云图的变形图。

(3) 通过对比A0、S0模态在仿真模拟中的传播速度和波形，总结出A0、S0模态的传播特性，并以此分析复合材料中不同激励方向引起的超声波传播的区别。

关键词：无损检测 仿真模拟 各向异性 传播特性

Study on Propagation Characteristics of Ultrasonic Waves in Anisotropic Plate Structures

Abstract

As a large number of industrial materials，composite materials are prone to fatigue failure due to their poor working environment.Through ultrasonic nondestructive testing of materials，we can know the tiny cracks inside and outside the materials，and can prevent and care the fatigue failure of materials in advance. Because of the anisotropy of composite materials，Lamb waves are not uniform in the propagation of materials. In this paper,the propagation of ultrasonic in composite materials is simulated by means of finite element simulation to analyze the propagation characteristics of ultrasonic in composite materials

(1) Elect the appropriate excitation frequency，and draw the dispersion curve of composite plate by guiguw.

(2) The Abaqus software is used to build the model of composite plate，simulate the propagation mode of Lamb wave in composite plate，and then get the stress nephogram of Lamb wave in composite plate and the deformation diagram of stress nephogram at different times.

(3) By comparing the propagation velocity and waveform of A0 and S0 modes in simulation，the propagation characteristics of A0 and S0 modes are summarized， and the differences of ultrasonic propagation caused by different excitation directions in composite materials are analyzed.

Key Words: Nondestructive testing; Simulation; Anisotropy; Propagation characteristics

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 复合材料无损检测现状 1

1.2 超声导波在复合材料中的数值计算研究进展 2

1.3 超声导波检测在复合材料中的实验研究进展 2

1.4 本文研究内容 3

第二章 复合材料板中超声波传播原理 4

2.1 Lamb波的介绍 4

2.2 基于GUIGUW的频散曲线分析 4

2.2.1 刚度矩阵的输入 5

2.2.2 界面参数的设置 6

2.2.3 求解过程设置以及后处理 6

2.3 本章小结 7

第三章 复合材料板中超声波传播的有限元模型 8

3.1 Abaqus介绍 8

3.2 复合材料板类结构的有限元模型 10

3.2.1 壳单元拉伸有限元分析模型 11

3.2.2 连续壳单元、实体单元相对于壳单元的区别 13

3.3 超声波模型 14

3.3.1 激励信号的调制 14

3.3.2 A0、S0模态的有限元建模 14

3.4 本章小结 15

第四章 仿真结果分析 17

4.1 S0模态传播特性研究 17

4.2 A0模态传播特性研究 18

4.3 本章小结 20

第五章 总结与展望 21

参考文献 22

致谢 25

第一章 绪论

1.1 复合材料无损检测现状

Kaczmarek^[1]搭建了超声检测平台，基于超声体波方法旨在对复合材料结构中的早期弥散性裂纹、基体裂纹扩展以及分层损伤进行定位并评估其严重程度。Hufenbach等^[2]采用水浸超声方法测量复合材料板中超声体波波速，并据此定性描述了纤维、纺织增强型复合材料结构受拉过程中的刚度变化情况，同时结合损伤的显微成像结果证实无损检测方法的可靠性。

南京航空航天大学的袁慎芳教授、周丽教授、裘进浩教授以及王鑫伟教授等课题组从Lamb波在复合材料中的传播机理、检测方案、传感器技术、信号处理方法以及系统开发与集成^[3]等层面进行了大量的研究。香港理工大学的苏众庆课题组^[4]面向复合材料铺层结构中的单个或多个分层损伤，采用了多种超声Lamb波检测手段进行了损伤定位和严重程度评估研究，包括飞行时间方法(椭圆定位法)、损伤特征因子(DI)方法、概率法以及神经网络法(ANN)等。Ren^[5]采用PVDF相控阵技术实现Lamb波单一高频模态的激励接收，并根据复合材料分层损伤处Lamb波的模态转换效应实现了分层损伤检测。另外韩国的Sohn，Giurgiutiu， Rose， Yuan等，英国的Cawley以及波兰的Staszewski等课题组也对复合材料中的分层损伤进行了一定程度的研究。

研究表明，在复合材料的早期疲劳过程中，发生在结构中的微小弥散形裂纹会导致材料刚度的急速下降^[6]，影响结构的工作性能，并诱发基体裂纹以及分层等其他类型损伤产生；纤维是复合材料中承力部分，如果纤维因损伤断裂，会导致材料的受力不均匀，无法达到使用标准，而材料界面的脱粘现象是由材料基体裂纹的扩张而导致的，从而导致基体收到损伤，易使纤维断裂，使材料无法达到预期的使用时间，因此复合材料结构中，所有的损伤都有必要运用无损检测的手法去探究其结构，以其控制材料损伤的危害性，通过极小的表面损伤和疲劳特征来最大限度的维护材料使用时间，并降低因其产生的重大损失和避免更为复杂昂贵的维护。

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