[发明专利]一种能够刻画板结构超声导波模式相对强度的频散曲线计算方法

说明书

本发明公开了一种能够刻画板结构超声导波模式相对强度的频散曲线计算方法，属于超声导波无损检测技术领域。本发明使用有限元分析软件建立板结构基本单元模型，利用特征频率法绘制k_ibz‑f图。对k_ibz‑f图中所有振动模式振型的离面位移进行采样，并利用Bloch定理将其位移拓展至多个周期(N＝100)，然后再经过傅里叶变换得到所有振动模式所对应的真实波数k_real及该真实模式的幅值强度；最后，绘制能够刻画导波模式强度的k_real‑ω图以及相速度色散曲线。本发明可以对板结构或类板结构(如网格结构)的频散关系进行计算，并且只需对板的基本单元进行模拟，极大节省了时间和计算资源；本方法所得色散曲线能够刻画导波模式强度，对超声导波检测具有很大指导作用。

技术领域

本发明涉及超声导波无损检测技术领域，尤其涉及到的一种能够刻画板结构超声导波模式相对强度的频散曲线计算方法。本方法是基于特征频率法和Bloch定理获得板结构超声导波频散关系的方法。

背景技术

目前，获得板结构中超声导波频散关系的方法主要是通过求解频散方程得到频率和波数的关系，最终获得相速度或群速度的频散关系。该方法只适用于简单的板、杆等导波结构，对于当今工业中制造的各种复杂的板结构，求解频散方程极为困难。此外，通过求解频散方程得到的色散曲线难以反映不同模态传播时的相对强度，对实际应用产生的指导效果有限。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于特征频率法和Bloch定理获得板结构超声导波频散关系的方法，获得板结构在不同激励频率下的超声导波波数以及该模式的相对强度，并计算出了对应的相速度，得到了该板在不同模态下的频散曲线。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种能够刻画板结构超声导波模式相对强度的频散曲线计算方法，包括如下步骤：

被测结构基本单元建模；

利用有限元分析软件设置材料及边界条件；

设置波数参数化扫描以及特征频率的求解个数；

网格尺寸预估并剖分网格；

进行特征频率计算；

对所有振型进行位移采样；

对采样得到的位移进行扩展；

对扩展后的位移进行傅里叶变换得到实际波数，并绘制波数-角速度频散曲线和相速度频散曲线。

进一步的，具体包括如下步骤：

1.1.对被测板结构的基本单元进行建模，模型截面尺寸与实际被测板对应位置处的尺寸一致；

1.2.使用具有特征频率计算的有限元分析软件，对模型截面处设置Floquet周期性边界条件，其余边界设置自由边界条件；

1.3.通过Floquet周期性边界条件设置波数并对其进行参数化扫描，的范围为[0，π/a]，其中，a为被测板结构基本单元在波传播方向上的尺寸，即晶格常数，步长可根据需求设置；

1.4.设置需要计算的特征频率数量，并预估最大频率和最大网格单元尺寸进行网格划分；

1.5.对被测板结构基本单元进行特征频率计算，得到该被测板结构基本单元的k_ibz-f图，即不可约布里渊区内的波数与特征频率的对应关系；

1.6.对所有振型进行离面位移采样，离面位移采样包括实部和虚部；

1.7.对于采集到的离面位移，利用由Bloch定理推导得到的位移扩展公式将位移扩展至多个周期；