1. 研究目的与意义
1. 课题研究的背景
金属板类结构已经被广泛应用到工业制造领 域，诸如飞机蒙皮、汽车车身、航用设备、大型油气 储罐等，这些板类结构不仅在生产加工时会产生夹 杂、分层等缺陷，而且由于使用环境的复杂多变，在 受到外荷载冲击、化学腐蚀、温度作用等各种因素 的影响下，容易在局部位置产生内部损伤，影响结构 寿命甚至可能导致灾难性事故。鉴于超声无损 检测技术在检测精度、检测范围和检测成本等方面 均优于其他无损检测技术，深入地开展金属板类 结构超声无损检测研究具有十分重要的应用价值。 目前，针对金属板类内部缺陷的超声无损检测 问题，国内外学者已经进行了大量研究。文献[4]利用希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huangtransform, HHT)的高时频分辨率的特性，更加精确地提取到 Lamb波各模态到达时间，文献[13[17]为Lamb波在检测中的 应用提供一种有效手段；文献[1]~[3]通过多个压电片 组成矩形阵列，实现了对板结构的全量程和多缺陷 的检测；文献[5][6]采用十字型传感器阵列对钢板缺陷进行检测，并且通过在时频域对接收信号进行处 理，消除直接激励信号和边界反射信号的影响；文 献[7]通过嵌入金属板结构中传感器进行激励与接收信号，利用基于到达时间差模型的椭圆成像算法对损伤位置坐 标和损伤区域大小进行估计；文献[8]通过在结构上 永久安装晶片式压电传感器激励和采集信号，利用 一种基于Lamb波聚焦阵列算法的成像方法得到包 含定量损伤信息的图像；文献[9]利用传感器网络采 集Lamb波信号，采用时间反转成像方法识别伤损 位置和近似大小；文献[10]~[12]通过在试样上下表面同 一位置粘贴双压电片激励单一模态Lamb波，利用 椭圆成像算法和数据融合方法进行缺陷成像。上述 方法多是在被测物体上粘贴或者嵌入多个传感器 采集信号，而对于正在服役中的结构，由于结构形状、服役环境等因素，传感器的粘贴位置和数量均 会受到限制，进而影响检测结果。 文献[14]~[16]说明空耦超声检测使用空耦超声传感器进行信号 采集，因空耦传感器不需要耦合剂，通过移动单个传 感器便可以采集多个位置信号，适用于复杂的检测 环境，检测效率高。基于此，本文提出空耦超声检测 方法，通过有限元仿真和实验分析，利用椭圆成像算法，文献[18]~[20]对压电片接触式检测和空耦检测两种方法在板中通孔缺陷的识别定位效果进行对比，验证了空耦超声检测方法在金属板缺陷检测中的可行性及优势。
2. 课题研究的现状及趋势
现应用的金属板类材料大都属于各向同性材料，所以超声波在这些金属板类材料中具有相同的 传播特性，本文选用工程上使用最广泛的各向同性钢板作为研究对象。 超声导波具有多模态性，即同一频率下可同时 激发多种导波模态，而且在实际检测中，所激发的单频信号具有一定带宽，可能产生更多的导波模态，影 响检测效果。所以，对钢板结构进行超声检测需要确定检测频率和导波模态。
3.本课题研究意义和价值
无论是金属薄板还是碳纤维增强复合材料在航空航天、航海舰艇和压力容器等工业领域都得到了普遍的运用。运用超声波对此类板状类材料进行损伤检测一直以来都是结构健康检测领域的研究热点和难点。超声兰姆波(Lamb waves)是超声无损检测中经常使用的一种导波形式,与传统使用超声体波(横波和纵波)的点对点检测方式相比,超声Lamb波检测能够实现一处激发大面积传播,因此基于超声Lamb波的损伤检测方法更加快捷和高效。
4.参考文献：
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2. 研究内容和问题
基本内容：
金属板类结构已经被广泛应用到工业制造领 域，诸如飞机蒙皮、汽车车身、航用设备、大型油气 储罐等，这些板类结构不仅在生产加工时会产生夹 杂、分层等缺陷，而且由于使用环境的复杂多变，在 受到外荷载冲击、化学腐蚀、温度作用等各种因素 的影响下，容易在局部位置产生内部损伤，影响结构 寿命甚至可能导致灾难性事故。现应用的金属板类材料大都属于各向同性材料，所以超声波在这些金属板类材料中具有相同的 传播特性，本文选用工程上使用最广泛的各向同性钢板作为研究对象。 超声导波具有多模态性，即同一频率下可同时 激发多种导波模态，而且在实际检测中，所激发的单频信号具有一定带宽，可能产生更多的导波模态，影 响检测效果。运用超声波对此类板状类材料进行损伤检测一直以来都是结构健康检测领域的研究热点和难点。超声兰姆波(Lamb waves)是超声无损检测中经常使用的一种导波形式,与传统使用超声体波(横波和纵波)的点对点检测方式相比,超声Lamb波检测能够实现一处激发大面积传播,因此基于超声Lamb波的损伤检测方法更加快捷和高效。
预计解决的难题：
3. 设计方案和技术路线
课题的研究方法和技术路线
1、熟悉课题及要求，检索相关资料和文献；
2、 提出基本方案，对方案进行可行性论证确定总体方案，撰写课题综述及开题报告；
4. 研究的条件和基础
研究工作条件和基础
1、 了解超声Lamb波的传播特性和检测原理；
2、 具备COMSOL三维建模能力；
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