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摘 要

随着科学技术的发展，金属材料与结构在生活与生产中的地位越来越无可替代。焊接作为一种重要的金属结构制造技术，在带来效益的同时，焊接损伤可能对工程结构产生威胁，因此关于焊接缺陷的检测就变得至关重要。本文以超声Lamb波为检测方法，深入研究Lamb波传播的理论模型，分析Lamb波的传播特性，结合先进损伤定位算法，实现焊接裂纹损伤定位研究，为实验开展提供坚实的理论指导。主要研究内容包括：

1.基于Rayleigh-Lamb方程，结合Matlab编制Lamb波频散曲线求解程序，深入分析Lamb波传播特性；

2.利用有限元软件ABAQUS建立三维健康/损伤压力容器中的Lamb波动力学模型，设计合理的传感器网络，建立损伤因子以及损伤定位算法，完成损伤定位；

3.改变焊接裂纹在三维模型中的位置和方向，分析不同位置和方向对损伤定位结果的影响，为后续实验开展提供重要指导。

关键词：焊接裂纹 损伤定位 超声Lamb波

Research on ultrasonic technology for welding defects detection

Abstract

With the development of science and technology, the status of metal materials and structures in life and production is more and more irreplaceable. Welding is an important manufacturing technology of metal structure. Welding damage may also poses a threat to engineering structure at the same time. Therefore, it is very important to detect welding defects. In this paper, we take ultrasonic Lamb wave as the detection method, study the theoretical model of Lamb wave propagation, analyze the propagation characteristics of Lamb wave, design a advanced damage location algorithm, realize the welding crack damage location, and thus provide solid theoretical guidance for the future experiment. The main research contents include:

1. Based on Rayleigh-Lamb equation, Lamb wave dispersion curve is solved by programming in Matlab, and the propagation characteristics of Lamb wave are analyzed in depth.

2. Using the finite element software ABAQUS to simulate a Lamb waves in a three-dimensional healthy / damaged pressure vessels. A reasonable sensor network is designed, the damage factor and the damage location algorithm is established, and the damage location is determined therefore.

3. The influence of different position and direction on the damage location results is studied by changing the position and direction of the welding crack in the three-dimensional model, which provides important guidance for the follow-up experiment.

Keywords: Welding crack damage, Ultrasonic inspection, Lamb wave

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1 研究背景意义 2

1.2 国内外研究发展过程 3

1.2.1 常用超声Lamb波损伤定位算法 4

1.2.2 发展前景 4

1.3 课题内容 5

第二章 Lamb波的特性 6

2.1 Lamb波在传播时的特性 6

2.2 相速度与群速度的概念 7

2.3 本章小结 8

第三章 编程求解Rayleigh-Lamb方程 9

3.1 Rayleigh-Lamb频率方程 9

3.2 程序设计思路 11

3.3 程序设计实例 12

3.4 探讨探伤模式的选择 12

3.5 本章小结 13

第四章 建立三维健康/损伤Lamb波动力学模型 14

4.1 概述 14

4.2 建立三维健康模型 14

4.2.1 激励点与接收点的设计 15

4.2.2 网格的划分 16

4.3 载荷的确定 17

4.4 建立三维损伤Lamb波动力学模型 18

4.5 提取时间信号 19

4.6 本章小结 20

第五章 损伤定位 21

5.1 损伤因子 21

5.2 损伤定位算法 21

5.3 本章小结 23

第六章 损伤位置与方向对定位结果的影响分析 24

6.1 改变损伤位置建立损伤模型 24

6.2 改变损伤方向建立损伤模型 26

6.3 本章小结 30

第七章 结语 31

7.1 论文总结 31

7.2 存在的问题与展望 31

参考文献 33

致谢 34

绪论

研究背景意义

金属及合金结构被广泛应用于人民的生产生活中，也被应用于航空航天、石油化工等关键科技领域。焊接作为一种重要的金属结构制造技术，在带来效益的同时损伤也可能对工程结构安全产生威胁。焊接件在加工或者使用过程中会产生诸如裂纹、未熔合等内部缺陷，这些缺陷的存在及其扩展会影响结构工作性能，甚至可能加速工程结构的破坏。为了确保焊接结构的安全可靠性，有必要对其中可能存在的微小损伤进行检测。超声波技术作为一种重要的损伤检测手段，具有诸如灵敏度高、检测尺寸范围广以及操作容易等一系列的优点。因此，无论国内还是国外，超声探伤都是各个领域内重要技术，是产品质量的保证。

但是，有关损伤探伤的技术都只只注重超声波与缺陷之间的相互作用关系,而对评定缺陷的信号参数同缺陷实际危害程度的关系不够重视，所以只能简单的测出损伤，不能准确描述缺陷参数，使得探伤人员只是按流程执行操作，而对缺陷的危害程度没有主观的概念，不能自主分析缺陷的危害程度[1]。

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