液体负载薄板中激光激发零群速度Lamb波的研究

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板状结构是一种常见的材料结构,广泛地应用于各生产生活领域。超声Lamb波作为固体中超声波的重要类别,常用于板状结构的无损检测。当存在液体负载时,板中Lamb波传播情况复杂。本文对板中零群速度Lamb波的成因、液体负载对零群速度Lamb波的影响以及液体负载性质变化对零群速度Lamb波的影响进行了理论分析及实验验证。  首先,本文利用有限元方法计算得到自由板中Lamb波频散特性曲线,通过分析计算结果,阐明了自由板中Lamb波S1模态后退波是由于两个具有相近截止频率的模态相互作用产生的,后退波模态与前进波模态耦合产生零群速度Lamb波。  其次,为得到液体负载薄板中Lamb波频散特性曲线,本文基于波动方程,建立了有液体负载薄板中Lamb波的理论模型。随后将板材看作由无数相同单元结构组合而成的周期性结构,选取其中一个单元结构,利用有限元计算方法得到有液体负载薄板中Lamb波的频散特性曲线。同时计算得到了板中Lamb波频域波形图,验证了频散曲线计算结果的可靠性。通过分析液体负载薄板中零群速度Lamb波频散曲线,阐述了液体负载对板中零群速度Lamb波的影响:当有液体负载时,Lamb波频散特性曲线中零群速度点的位置改变。实验上,建立了激发和探测液体负载薄板中零群速度Lamb波的实验系统,利用脉冲激光在自由铝板及有液体负载铝板中激发零群速度Lamb波,实验结果证明液体负载的存在会改变Lamb波频散特性曲线中零群速度点出现的频率位置。这一结果为进一步的研究提供了基础。  最后,鉴于相同条件下液体性质的改变会影响板中零群速度Lamb波,改变薄板负载液体性质,分析了不对称液体负载、液体层厚度改变、液体种类变化对固体薄板中零群速度Lamb波的影响。当具有不对称液体负载时,在零群速度点出现的频率处,板中质点离面位移分布的对称性改变;当液体层厚度增加时,负载液体中纵波模式数量增加,Lamb波频散特性曲线中有出现更多零群速度点的趋势;当液体密度增加时,液体纵波与板中Lamb波耦合作用加剧,并且液体纵波速度越大,对Lamb波频散特性曲线中零群速度点位置改变的影响越小。  本文的研究结果为有液体负载薄板的检测提供了理论基础和参考。
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