均匀介质中缺陷对声波频谱特性影响的有限元方法研究

论文摘要

现代无损检测技术正向高精度、高准确度方向发展,传统的理论和实验方法已不能满足其发展的要求,这就使得数值模拟越来越多的应用到超声无损检测研究上来。对于检测信号,一般在时域中分析所获得的缺陷信息是有限的。随着数字信号处理技术的发展起来的频谱分析方法已广泛应用到超声无损检测中来,应用频谱分析技术可以在频域中获得缺陷的更多信息。本文应用有限元方法,建立了各向同性固体二维超声无损检测有限元模型。首先,对材料中无缺陷以及含有裂纹、方形横穿孔、圆柱形横穿孔缺陷的情况进行了模拟计算,在时域信号中可以看出各种回波和透射波幅度等特征的区别;重点对信号进行了频谱分析,计算得到了缺陷回波、底面回波以及透射波的频域特征量:峰值、峰值频率、中心频率、带宽、半高宽和缺陷谐振敏感频率等的变化;同时针对圆柱形横穿洞不同的直径,获得了其透射波各种频域特征量的变化规律曲线。其次,通过对平面和弧面凹槽的模拟计算,得到了相同深度不同宽度凹槽的底面回波幅度和频域特征量的不同,同时得到了不同宽度平底孔底面回波频域特征量的变化规律。最后,对钢中有各种金属和非金属夹杂的情况进行了模拟计算,通过时域回波信号相位的分析,验证了模拟结果与理论计算的一致;通过对回波和透射波进行频谱分析可以得到各种夹杂的不同频域特征量。上述模拟结果能很好地识别出本文所述的各种缺陷,证明了应用有限元方法和频谱分析技术建立的模拟程序的正确性,这为理论和实验研究提供了参考,为进一步深入研究超声无损检测技术提供了新思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 有限元方法在超声检测中应用现状
• 1.2.2 频谱分析在超声检测中应用现状
• 1.3 本文研究内容和目标
• 第二章 有限元和频谱分析基本原理
• 2.1 有限元基本原理
• 2.1.1 有限元基本步骤
• 2.1.2 固体中动力学有限元方程
• 2.1.3 有限元网格的选取
• 2.2 频谱分析基本原理
• 2.2.1 傅里叶变换理论
• 2.2.2 基于FFT 的频谱分析
• 2.2.3 时间闸门的选取
• 2.2.4 信号处理基本过程
• 2.3 超声检测方法
• 2.3.1 回波法
• 2.3.2 透射法
• 2.4 本文处理方法
• 第三章 固体内部缺陷对声波频谱特性影响的有限元模拟
• 3.1 三种不同形状缺陷对声波频谱特性的影响
• 3.1.1 回波
• 3.1.2 透射波
• 3.2 不同直径圆形孔对声波频谱特性的影响
• 3.2.1 回波
• 3.2.2 透射波
• 3.3 小结
• 第四章 凹槽对声波频谱特性影响的有限元模拟
• 4.1 平底孔
• 4.2 弧形孔
• 4.3 小结
• 第五章 钢中夹杂对声波频谱特性影响的有限元模拟
• 5.1 金属夹杂
• 5.1.1 回波
• 5.1.2 透射波
• 5.2 非金属夹杂
• 5.2.1 回波
• 5.2.2 透射波
• 5.3 小结
• 总结和展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢