[发明专利]基于电磁超声Lamb波S1模态群速度的金属板应力检测方法

说明书

本发明公开了一种基于电磁超声Lamb波S1模态群速度的金属板应力检测方法。本方法采用电磁超声激发探头激发Lamb波，并根据激励线圈的特定间距，激发出特定模态Lamb波，并精准识别Lamb波的S1模态，利用Lamb波的S1模态群速度对应力变化的高灵敏度来对金属板进行应力检测。与传统的体波应力检测相比较，在相同的加载应力下速度变化率有显著提升，可用于无损检测领域中薄板应力分布的测量研究。

技术领域

本发明属于电磁超声检测领域，具体是一种基于电磁超声Lamb波S1模态群速度的金属板应力检测方法。

背景技术

板结构材料是基础工业的原材料，因其质量轻、强度高、模量高、寿命久等优点，在工业和民用设备中发挥着重要的作用。残余应力的存在不仅会降低工件的静强度和疲劳强度，使其在制造和使用时产生形变开裂等工艺缺陷，而且还会在制造后的自然释放过程中使材料的抗腐蚀能力受到影响。因此，研究和检测板结构材料内残余应力对生产和科学实验都有非常重要的意义。

无损检测可在不对测试试件造成损坏的情况下，利用X射线、中子衍射法、磁测法和超声法对其缺陷和物理参数进行检测，其中超声法是基于应力与声波速度的关系来对试件的应力进行检测。在现有的超声检测中临界折射纵波超声法相较于表面波超声法和激光超声法敏感度相对较高，其渗透深度与超声波频率有关，装置简单，容易实现，使其成为金属材料应力分布的主要方法。但是基于临界折射纵波的声弹性理论，在施加应力对超声波声速的相对变化很小，因此必须以非常高的精度进行测量。

在当前的研究中发现，板状结构的Lamb波对结构特性、温度和应力变化敏感。与传统的体波相比较，薄板中的Lamb波具有传播距离长、效率高、灵敏度强、衰减小、适宜大面积的样板无损检测，已成为近年来的研究热点。

国内已有部分学者开始关注于Lamb波的频散特性研究，在文献《板结构材料中超声兰姆波信号传播特性的理论与实验研究》(上海大学,2017)中研究了Lamb在各向同性板和多层复合板的频散曲线传播特性。文献《基于电磁超声兰姆波层析成像的盲孔缺陷定量描述研究》(哈尔滨工业大学,2018)中设计并制作了一种能够分别激发A0模式和S0模态的电磁超声兰姆波换能器，利用超声导波走时与幅值信息的权重可调联合迭代重建技术能够有效对缺陷进行定量描述。国外学者Gandhi在文献《Acoustoelastic Lamb waveproPagation in biaxially stressed plates》(The Journal of the AcousticalSociety of America,2012,132(3):1284)提出了一种较为全面的声弹性公式分析初始各向同性板中双轴载荷的影响。

综上所述，对于金属薄板应力的研究，由于Lamb波的多模态性和频散性导致Lamb波信号复杂，波形模态不易提取和分离，Lamb波的波速测试精度较低，国内外关于Lamb波群速度变化用于金属板应力分布检测的方法没有提出。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于电磁超声Lamb波S1模态群速度的金属板应力检测方法。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于电磁超声Lamb波S1模态群速度的金属板应力检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)仿真计算出金属板中的Lamb波的S1模态在不同应力下的频散曲线；

(2)选取Lamb波的S1模态的频散曲线中的截止频率；

(3)根据Lamb波的S1模态的截止频率和截止频率对应的模态相速度计算出Lamb波的S1模态的波长，进而通过波长得到激励线圈的线圈间距；

(4)搭建电磁超声Lamb波应力加载试验平台；电磁超声Lamb波应力加载试验平台包括Ritec RAM非线性超声测试系统、万能试验机、电磁超声激发探头和压电接收探头；电磁超声激发探头由步骤3)得到的具有相应线圈间距的激励线圈的电路板与永磁体组成；