基于超声导波全波形反演的缺陷检测技术研究
超声导波由于其具有长距离传播、全截面覆盖、多模态等特点，特别适用于薄板和管道等弹性波导结构的长程检测与监测。为实现被测范围内部缺陷可视化检测，层析成像算法也逐渐为超声导波检测领域所重视。现有层析成像算法主要包括渡越时间层析成像或射线层析成像、衍射层析成像及其混合算法。射线层析成像只使用到达时间，完全忽略衍射效应，从而导致有限分辨率，该分辨率由波长和第一Fresnel区的大小决定。衍射层析成像可以获得更好的分辨率，但由于忽略了多重散射效应，仅适用于小或低对比度的缺陷检测。为了重建腐蚀等复杂形貌形状，在层析成像中应考虑包含所有可能的高阶衍射和散射效应的全波场。因此，本文针对高精度成像检测问题提出面向复杂结构和复杂缺陷的超声导波全波形反演成像检测技术。主要研究内容如下： 首先，介绍超声导波传播的基本理论，包括薄板结构中Rayleigh-Lamb方程推导，及其频散曲线求解，通过二维Fourier求取平板中的导波模态。 其次，详细研究和推导全波形反演理论，包括前向模型建立、目标函数及其梯度计算、优化算法选择。在此基础上，编写基于L-BFGS法的全波形反演算法，并利用有限元软件COMSOL的频域压力声学模块验证前向模型。再利用COMSOL时域模块建立超声检测仿真模型，采集全矩阵超声数据，利用局部优化算法进行更新迭代，实现了简单模型的缺陷成像检测，验证了全波形反演算法的有效性。 然后，针对复杂结构精确成像的难题，基于所开发全波形反演算法，对叶片结构中不同缺陷类型进行了反演成像，包括不同直径的内部圆孔、不同朝向的开口裂纹以及多个缺陷。由于单频率反演策略的成像质量较差，本文还进一步提出使用连续多频率反演策略，结果表明成像质量得到有效改善。为实现缺陷定量检测，对层析成像结果建立评价指标，并对初始声速模型进行了不确定性分析验证了该算法的稳定性。 最后，利用ABAQUS建立薄板结构超声导波检测仿真模型，基于超声导波频散特性在薄板中激励单一模态超声导波并采集全矩阵检测数据。利用所开发全波形反演算法，实现了薄板结构中半波长缺陷的反演成像，验证了超声全波形反演的可行性。
无损检测;超声导波;全波形反演算法;超声成像算法
广东工业大学
硕士
机械工程
纪轩荣;袁懋诞
2021
中文
TG115.285
2021-10-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）