Page 70 - 无损检测2022年第七期

李一凡,等:
多层板缺陷的超声 Lamb波检测

零。由于多层结构在 1 MHz条件下所产生的 4 个

模态能量主要集中在 A0 模态、 S0 模态两个基本模
态, 在时域曲线中难以观察到 A1 模态、 S1 模态的
波包, 所以 A1 模态、 S1 模态可以忽略不计。

综上, 对于所给多层板结构, 中心频率为 1MHz
的 Lamb波信号各模态在不同板层中分布不均匀, 可
以利用 A0模态单独对铜板层中的缺陷进行检测, 利
用 S0模态单独对钢板层中的缺陷进行检测。
图 6 汉宁窗调制 5 周期正弦脉冲信号
3 数值模拟验证 做为接收点, 坐标为( -30mm , 0mm , ±1.5mm ),

根据上述多层模型频散曲线和位移波结构的分 输出接收点的位移 - 时间曲线, 利用离面位移( U3 方
析结果, 采用有限元仿真的方式对图 1 所示多层板 向) 的时域曲线表征 Lamb 波信号。分别计算无缺
在 0.2MHz和 1MHz下的 Lamb 波传播特性进行 陷、 缺陷位于钢板、 缺陷位于铝板、 缺陷位于铜板 4

数值验证。 种工况下的信号。
3.1 有限元仿真模型 3.2 低频 Lamb波仿真结果分析
利用有限元软件, 以三层板中心点为原点, 建立 文章选择较大尺寸的缺陷进行分析以避免因缺

钢板 - 铝板 - 铜板( 每层厚度均为 1mm ) 三维模型( 见 陷尺寸过小而无法产生反射信号的情况, 设置缺陷

长为 10mm ( U2 方向)、 宽为 2mm ( U1 方向)、 深为
图 5 ), 其长宽为 300mm×200 mm , 板层之间设置

为 Tie连接方式。采用结构化网格划分的方法, 单 1mm ( U3 方向), 激发中心频率为 0.2 MHz的脉冲
元类型为三维应力单元, 为了保证计算足够精确, 每 载荷进行检测, 上下表面接收点的仿真信号如图 7
个周 期 内 应 至 少 有 10 个 单 元。 计 算 总 时 长 为

0.16ms , 为了保证数值计算的稳定性和效率, Lamb
波的每个时间周期内应至少有 20 个时间增量步 [ 6 ] 。
为了减少能量泄露 [ 7 ] , 加载脉冲载荷采用经汉宁窗
调制的正弦脉冲信号, 周期数为 5 , 其波形如图 6 所
示, 载荷类型为集中力载荷。

图 5 三层板的有限元仿真模型

在多层板中坐标为( -90mm , 0mm , ±1.5mm )
的上 / 下表面对称点处, 垂直于板面( U3 方向) 激发
相同 方 向 的 汉 宁 窗 脉 冲。 在 Lamb 波 传 播 方 向

图 7 0.2 MHz上下表面接收点的仿真信号
( U1 方向) 60mm 处同样取上 / 下表面对称 的两点
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2022 年 第 44 卷 第 7 期

无损检测