摘要
由于强度高、易加工的特性，金属薄板广泛应用在各种复杂的工程领域。板状结构由于自身的结构特性，在生产、加工以及运输过程中往往会产生缺陷，对材料性能产生影响，因此对薄板健康状况的检测必不可少。兰姆波层析成像技术采用的超声传感器阵列能够准确地获取薄板中缺陷的位置、大小、形状等缺陷信息，清晰地检测出薄板表面以及内部存在的缺陷。本文主要基于有限元法，研究兰姆波层析成像技术对金属板材进行缺陷重构成像的技术理论，主要研究内容如下： 以铝制薄板作为研究对象，推导出兰姆波在铝板中传播的频率方程，用数值方法计算兰姆波的频率方程并绘制频散曲线。详细分析了计算机层析成像技术所涉及的相关理论，包括解析重建算法原理与迭代重建算法原理，为有限元仿真中兰姆波激励信号的选择以及铝板缺陷重建提供理论依据。 为了验证成像技术是否能够重建出铝板中存在的缺陷，通过有限元法求解Lamb波的散射场数据，以此来判断缺陷重构技术的准确性。由于重建过程中需要用到大量的散射场数据，采用人工手动获取数据，工作量巨大且极易引入人工误差，而通过对有限元软件ABAQUS进行二次开发，实现了铝板模型自动仿真并批量获取散射场数据，从而实现快速成像。首先，介绍了有限元软件ABAQUS二次开发的相关理论，熟悉ABAQUS软件中GUI插件的开发流程，选择有限元软件ABAQUS中的RSG对话框构造器作为GUI插件的开发工具。确定GUI插件的具体开发流程之后，以铝制薄板为模拟对象，加载汉宁窗调制的tone burst信号来激励铝板中的兰姆波，利用RSG对话框构造器创建出自主开发的GUI插件，在插件的建模界面中输入铝板模型的相关参数，实现模型的自动仿真。通过GUI插件完成了无缺陷模型、中心缺陷模型和偏斜缺陷模型的自动仿真，大大提高了工作效率。最后，在自动仿真和数据采集的基础上，对三种模型仿真结果中兰姆波的散射场数据分别进行分析处理，计算出用于缺陷重建的投影数据，并根据投影数据绘制出二维曲线图和二维平面图初步判断铝板的缺陷信息。 采用直接反投影算法、扇束滤波反投影算法和代数重建算法重建铝板缺陷，对比三种方法的图像重建结果，其中代数重建算法的效果最好，板中的缺陷轮廓清晰可见。利用全局阈值分割、基于OTSU算法的自适应阈值分割对缺陷图像进行分割，并对比分析两种方法的分割结果，其中基于OTSU算法的自适应分割方法效果更好，能够较直观的判断出缺陷的大小、形状和位置。
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