大型金属板状结构的激光Lamb波相控阵列检测技术研究

Large metal plate-like structures are one of main components and important supporting parts of large-scale devices or high-end equipments, such as storage tanks, pressure vessels,airplanes and ships.In this project, a non- contact laser-based Lamb wave phased array inspection technology is proposed for nondestructive testing of large metal plate-like structures.Firstly,laser- generated Lamb wave model considering multiple parameters including laser generation and inspected objects will be established by the combination of theoretical analysis and numerical simulation.The influence of these parameters on mode components and energy of laser-generated Lamb wave signals will be investigated and furthermore the modes will be optimized.An all-optical experimental system for laser-based Lamb wave phased array inspection will be established.The characteristics of laser-based Lamb wave phased arrays will be analyzed and the array parameters will be optimized.Scattering at different types of defects under phased array focusing ultrasonic field of Lamb wave modes will be researched and laser-based Lamb wave phased arrays with typical configurations will be used for defect detection.Imaging algorithms based on laser-based Lamb wave phased arrays, including signal post- processing algorithms, focus enhancement algorithms and data fusion algorithms, will be optimized and developed.Data fusion will be achieved by using imaging results of multiple Lamb wave modes and multiple phased arrays. Finally, focus imaging, type identification and evaluation of the defects in full inspection areas of interest in large metal plate-like structures can be achieved.

大型金属板状结构是储罐、压力容器、飞机和船舶等大型设备或高端装备的主要组成部分和重要承载部件。本项目提出一种非接触激光Lamb波相控阵列检测技术，用于该类大型金属板状结构的无损检测。首先，理论分析和数值仿真相结合，建立可多参量（激光激励参量和检测对象参量）输入的激光激励Lamb波模型。研究各参量对激光激励Lamb波信号中模态成分和能量的影响并进行模态优化。建立全光学型的激光Lamb波相控阵列检测的实验系统。研究激光Lamb波相控阵列特性并进行阵列参量优化。研究Lamb波模态相控阵列聚焦声场作用下不同类型缺陷的散射特性，并利用典型激光Lamb波相控阵列进行缺陷检测。优化和发展激光Lamb波相控阵列的成像算法，包括信号后处理算法、聚焦增强算法和数据融合算法；利用多Lamb波模态、多阵列式的成像结果进行数据融合，最终实现大型金属板状结构全检测区域内的缺陷聚焦成像、类型识别和评估。

大型金属板状结构是飞机、船舶和压力容器等高端装备或大型设备的重要承载部件。这些结构在服役过程中易受到冲击、腐蚀和疲劳等而产生不同类型的缺陷，降低装备的在役安全和使用寿命，甚至产生灾难性的后果。.本项目提出一种基于激光Lamb波阵列的大型金属板状结构健康检测技术。基于激光超声检测系统和自主开发的激光超声检测软件，搭建了一套全自动化激光Lamb波阵列结构健康检测系统，可对大型金属板状结构中的各类缺陷进行相控阵列检测和全波场检测。研究了激光Lamb波的激励机理及其传播特性，阵列形式对检测的影响，激光Lamb波阵列检测实验设置，成像算法优化等问题。针对激光Lamb波信号具有以低频成分为主的宽频带特点，采用连续小波变换和线性映射频散补偿技术对检测信号进行特定频率成分提取和频散补偿，提升检测信号的分辨率。相控阵列检测研究显示，多重信号分类算法缺陷检测效果受阵列与缺陷的相对位置有关；符号相干因子算法较全聚焦算法能够对多缺陷更精确的定位成像。基于频率-波数法和局部波数法的激光Lamb波全波场检测技术能够对金属板状和环状结构中不同深度凹槽缺陷和分层缺陷实现定量检测，得到缺陷的深度和轮廓信息。将相控阵列检测技术的快速性和全波场检测技术的精确性有效结合，有效提升了大型金属板结构健康检测效率。.本课题通过对激光Lamb波阵列检测技术的研究，明确了激光Lamb波信号特点，并结合阵列检测技术特点对缺陷成像算法进行了发展；开发的激光Lamb波阵列全自动化检测系统能够用于大型金属板状结构健康的快速准确检测，对推动无损检测技术的研究和应用具有重要的意义。