主动Lamb波合成波阵面损伤成像监测方法

对基于压电阵列的主动Lamb波结构健康监测技术进行了研究.分析了主动Lamb波损伤监测过程中损伤散射信号的特点,在已有研究成果基础上,研究提出合成波阵面损伤成像方法.利用压电阵列合成激励波阵面实现对Lamb波损伤散射信号的相干增强,给出了基本原理和实现技术;结合时间反转理论,给出了基于合成波阵面激励的损伤成像监测方法;在复合材料板结构上进行了实验研究,并与传统的单一压电片激励方法进行了分析和对比,实验结果表明,合成波阵面损伤成像监测方法能够有效提高Lamb波损伤散射信号的能量和监测的质量,增强抗干扰能力,同时对该方法存在的问题和解决办法进行了简单分析.     

空气耦合Lamb波在单晶硅中的传播特性和缺陷检测研究

单晶硅是制造硅太阳能电池的主要材料之一,但其中的各类缺陷对其光电转换效率影响颇大。针对这些问题,采用空气耦合Lamb波检测方法对单晶硅产品的质量进行快速评价。理论计算Lamb波在各向异性的单晶硅中的频散曲线,得到Lamb波在不同方向上的理论速度分布;利用空气耦合超声传感器在(001)晶面的单晶硅中激励出A0模态的Lamb波,研究200 k Hz频率下Lamb波的入射角度与信号幅值的关系,确定最优入射角度为13°。采用相位谱的方法计算A0模态的相速度,试验结果与理论值吻合良好。利用波包幅值法和相关函数法分别计算A0模态的群速度,结果说明相关函数法测得的群速度与理论值误差更小;采用扫描方法对单晶硅进行缺陷检测,通过计算接收信号与参考信号的相关系数,确定出缺陷的位置和大小。     

基于匹配追踪的蜂窝夹层复合材料损伤检测

基于Lamb波和匹配追踪时频分析方法,提出一种损伤成像方法,对蜂窝夹层复合材料结构进行损伤监测.首先针对Lamb波传播的特点,提出了匹配追踪方法的快速实现方案,该方法能准确地匹配失真变形的窄带脉冲信号,并识别Lamb波的模态;然后对由压电传感器采集到的Lamb波信号,采用匹配追踪方法提取特征信息,得到Lamb波的能量分布;在此基础上,考虑Lamb波在各向异性结构中传播速度的影响,将损伤处的散射波能量分布和各像素点对比度联系起来,得到损伤图像,将损伤的情况可视化.通过蜂窝夹层复合材料结构实验验证了该方法的可行性和有效性.     

基于Lamb波的复合材料结构损伤成像研究

本文基于Lamb波和时频分析方法，提出了一种损伤成像方法，对复合材料结构进行在线的连续监测。首先通过高阶板理论建立了Lamb波在各向异性复合材料层板中随传播角度变化的频散关系，得到Lamb波的理论速度分布，为损伤成像提供基准信息；然后采用小波变换对由压电传感元件激励和接收的Lamb波信号在时频域进行分析，提取特征信息，得到散射波的能量分布；在此基础上通过考虑各向异性对Lamb波传播速度的影响，将散射波的能量分布与各个像素点的对比度关联起来，得到损伤的图像，将损伤的情况可视化。同时建立了原型结构健康监测系统，实验研究表明了本文所提出方法的可应用性和有效性。     

利用Lamb波检测垢层厚度的数值分析

针对锅炉垢层厚度检测的问题,提出一种通过Lamb波的频散特性检测垢层厚度的方法。首先,建立Lamb波在铝板-垢层双层弹性结构中的波动模型,利用半解析有限元法求解Lamb波的特征方程,绘制Lamb波的频散曲线。其次,建立铝板-垢层二维电磁超声仿真模型,通过电磁超声换能器在铝板中激发S0模态的Lamb波,得到不同采集点下的波形曲线。最后,通过对频散曲线和波形曲线的分析得知,随着垢层厚度的增加,低频S0模态Lamb波群速度变慢,高频S0模态Lamb波群速度变快,信号波群的幅值减小。结果表明,可利用S0模态Lamb波群速度变化及幅值变化进行锅炉垢层厚度检测。     

复合材料板Chirp激励的Lamb波成像技术研究

作为一种快速、高效的无损检测方法,Lamb波技术在结构健康监测领域具有巨大的应用潜力并受到广泛关注。采用线性宽带Chirp信号作为激励信号,替代传统的窄带Tone burst信号。响应信号经过后处理可以解调出其带宽范围内任意中心频率的等效Tone burst响应信号。优化设计一种压电传感器,能够在低频段激励和接收纯净的A0模态。由于A0模态对板中缺陷非常敏感,使信号更便于分析。将这种传感器按照稀疏阵列的形式布置于准各向同性复合材料板上,对模拟缺陷进行检测。通过实验所得Chirp信号的检测数据解调出多个中心频率下的响应信号,结合椭圆成像技术和数据融合方法进行缺陷成像,实现了板中缺陷定位,并且多个频率下响应信号融合后的成像结果具有更高的分辨率、对比度和定位精度。     

基于Lamb波时间反转的复合材料结构损伤监测

采用Lamb波时间反转法,对复合材料结构进行在线连续健康监测。利用板中Lamb波时间反转法的原理和自聚焦特点,运用时间反转方法,通过传感器网络的布置,激励并接收Lamb波,从而对复合材料结构实现损伤监测。该方法无需结构无损情况的基准信号,能够对有损结构进行快速的损伤定位及损伤大小判断。采用改进的RAPID算法进行损伤成像,得到的损伤图像可将损伤情况可视化。实验研究表明所提方法可行和有效。     

基于谱元法的板结构中导波传播机理与损伤识别

建立板结构的三维谱元法模型和结构-压电晶片耦合模型,对铝合金板中Lamb波的传播机理和与损伤作用规律进行研究。以单点激励力模型研究了板中Lamb波的频散关系,从理论上对所建立的模型进行了验证;基于压电晶片模型研究了在施加电压激励条件下导波的传播规律;研究单一压电晶片、板中上下表面施加同相位或反相位激励电压的两个压电晶片三种情况下结构的响应;对板中传播Lamb波的幅值与传播距离的关系进行分析;采用减小结构单元刚度的方法模拟结构中的裂纹损伤,研究Lamb波与损伤的作用;结合试验分析,验证所仿真结果结论的正确性。相对二维谱元法模型,所建立的板结构三维谱元法模型能更真实地模拟结构中导波的激励与接收以及波的传播。     

基于全向型S_0模态磁致伸缩传感器的无参考缺陷成像方法研究

Lamb波具有传播距离远、衰减小等优点,能在板结构中实现大范围、高效率的损伤检测和监测,在无损检测和结构健康监测领域具有极大的应用潜力。针对板结构大范围健康监测问题,为了能周向一致地激励出模态单一Lamb波S0模态,提高缺陷成像能力,基于磁致伸缩效应,设计并制作一种全向型S0模态磁致伸缩传感器,由印刷电路板线圈,圆柱磁铁,圆形镍片组成。试验验证研制的传感器能够在铝板中有效激励出单一的S0模态,并测试其频率响应特性以及全向性,结果表明设计传感器中心频率为365 k Hz,并具有较好的全向性。进一步利用研制的全向型S0模态磁致伸缩型传感器组成稀疏传感器阵列。采用自激自收的方式对铝板结构中缺陷进行检测。利用离散圆弧成像与数据融合算法相结合的方法对多组数据进行处理,消除常规的稀疏传感器阵列成像时对结构健康状况下的信号依赖,无需健康状况下的信号作为参考,实现了在板结构中缺陷的定位和成像。     

Lamb波时间反转分解损伤识别方法研究

基于主动Lamb波的结构健康监测和损伤检测是目前研究的热点之一。时间反转分解方法利用发射-接收阵列可以选择性地分别聚焦定位各个散射体.由于Lamb波传播的频散和多模式特性,导致了Lamb波时间反转传递矩阵的不对称性。基于压电激励Lamb波传播过程,分析研究了Lamb波时间反转传递矩阵显著特征值数目与散射体数目的关系,进行了Lamb波传播与损伤检测的实验研究,利用Lamb波A0和S0模式传播解析解数值反向传播,定位板中各个散射体。实验结果表明了Lamb波时间反转分解损伤识别方法的有效性,能够有效识别并定位结构损伤。     

基于HHT的导弹发射冲击时频谱分析

为研究弹载部件在导弹发射过程中的冲击响应及冲击信号的传递特性,进行了基于希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform,简称HHT)的导弹发射冲击时频谱分析。由于经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)结果易受白噪声的影响,研究了总体经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,简称EEMD)技术。以弹体不同位置的实测冲击信号为对象,应用HHT技术进行分析,准确得到了导弹发射冲击信号的固有模态函数(intrinsic mode function,简称IMF)和时间-频率-能量谱特征,并研究了两次冲击的频率分布和各阶IMF与原始信号的相关性。结合边际谱分析对比了两个舱段能量在中低频和高频的传递特性,进一步验证了HHT方法在分析非线性和非平稳冲击信号中的优越性。     

HHT与Elman神经网络在离心泵故障振动信号处理中的应用

提出了一种Hilbert-Huang变换(HHT)和Elman神经网络相结合的离心泵振动信号故障诊断新方法.首先,将离心泵振动信号时间序列数据经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,简称EMD),然后经过Hilbert-Huang变换获得各模态(Intrinsic Mode Functions,简称IMF)的能量,并以"能量比"为元素,构造离心泵振动信号的特征向量,根据Elman神经网络模型能够逼近任意非线性函数的特点和具有反映系统动态特性的能力,利用Elman神经网络模型实现离心泵故障的诊断.实验研究结果表明该方法对离心泵振动信号故障具有很高的诊断率.     

厚梁结构中的超声导波传播与损伤识别

基于导波的结构健康监测技术研究中,结构厚度与不同损伤形式对导波传播特性的影响是该技术在工程应用中对实际结构进行损伤识别的关键。通过导波在厚梁结构中传播时所表现出的特性,分析并试验研究损伤对导波传播的影响。通过在结构中引入切槽损伤,理论分析与试验研究导波在有损结构中的传播特性。以此为基础,重点研究疲劳裂纹损伤。试验得出导波在厚梁结构中的实际传播速度,并由此分析损伤反射波中的波包成分,研究并总结损伤大小对导波幅值、相位和到达时间的影响规律。分别对结构中的对称和非对称损伤进行研究,验证具有非对称损伤结构中模式转换波包的存在,分析模式转换波包的形成与传播机理,研究不同的非对称损伤对模式转换波包形式的影响。此外,还介绍了试验试件和疲劳裂纹的加工过程。总结了切槽损伤与疲劳裂纹损伤对导波传播的不同影响。     

基于模态分析和小波变换的声发射源定位新算法研究

针对传统声发射源定位中，声发射信号到达传感器的时间受设定门槛电压影响很大，导致声发射源定位效果较差，提出了一种声发射源定位新方法。根据模态声发射理论，携带声发射源信息的声发射信号在结构中传播过程中，具有频散现象和多模态特性。因此，声发射源定位应基于同一频率下、同一模态导波到达各个传感器的时间和传播速度。通过对声发射信号进行Gabor小波变换的方法，在时频空间内确定某一频率下某一模态导波到达传感器的时间；并通过数值计算得到该频率处模态导波的群速度，从而实现声发射源的准确定位。通过薄板中声发射线源定位试验，证明了该定位算法的有效性。     

Development of scanning damage index for the damage detection of plate structures using modal strain energy method

This work presents a novel approach of nondestructive detection of damage in plate structures by using experimental modal analysis (EMA) and modal strain energy method (MSEM). An aluminum alloy 6061 thin plate with a surface crack is investigated in this study. EMA is conducted on the plate to obtain the mode shapes before and after damage. The modal displacements of each mode shape are then used to compute the modal strain energy. For all measured mode shapes, a damage index is defined by using the ratio of modal strain energies of the plate before and after damage. In fact, small damage causes very little change in system response, but it is an essential early warning of structure damage. As the second-order derivatives, modal strain energy is much more sensitive to the small change of structural response than frequencies and mode shapes. It is therefore feasible to approach the small damage by using a damage index defined by fractional MSE of the structure before and after damage. In this study, a scanning damage index (SDI) is developed by moving damage indices obtained from the local area throughout the structure as if a scanning sensor is used to inspect the structure. The damage indices in overlap areas are added up and the summation may intensify the signals of damage in the plate. Limited by the numbers of measured point, a differential quadrature method is employed to calculate the partial differential terms in strain energy formula. Experimental results show that SDI well identifies a surface crack location by using only few measured mode shapes of the aluminum plate. This novel approach provides a flexible, cost-effective, and nondestructive damage evaluation in either local or global structure. Its applicability to different types of structures and different sizes of damage is to be experimentally validated in the future work.     

基于高频柱面超声导波的螺栓轴向应力测量

基于金属杆件中高频超声导波的传播特性,提出使用柱面导波高阶不同模态群速度比值的单探头螺栓轴向应力测量方法。使用数值方法求解考虑晶粒散射衰减的Pochhammer-Chree方程,得到了导波群速度衰减系数频散曲线,并分析了其在高频区的传播规律。结合非线性声学以及弹性力学理论,推出基于群速度比值的螺栓轴向应力测量方法。搭建超声应力测量平台,讨论了脉冲超声激励下的实测导波信号特点并提出使用经验小波算法对信号进行模态分解,有效获取了信号中特定模态的群速度。使用该方法以及传统的纵横波声时比法进行了螺栓轴向应力对比标定和测量实验,结果表明前者平均测量误差约为4%,其精度明显高于传统方法(平均测量误差6%)且具有更简便的测量流程。     

基于 Lamb 波的数据传输与缺陷检测同步实现方法

在结构健康监测领域,超声导波相对于体波具有传输距离远、覆盖范围大、检测成本低的优点。提出了一种基于Lamb波的数据传输与缺陷检测同步实现方法,实现了超声系统的多功能复用。通过理论仿真与扫频实验验证了Lamb波模态调制理论,使用压电晶片主动传感器在铝板上以500 kHz的中心频率激发出S₀模态Lamb波进行数据传输和缺陷检测。针对Lamb波边界反射引起的码间串扰问题,采用移不变稀疏编码方法进行信息恢复,在具有反射边界的铝板上成功实现100 kbps的信息传输速率,并且误码率为0。同时,利用移不变稀疏编码中的原子信号进行结构缺陷检测,根据合成孔径聚焦技术实现了缺陷的准确定位,定位误差小于0.2%。     

直线式波浪能发电装置设计

针对旋转式波浪能发电装置由于存在中间环节转换而导致发电效率降低的问题,围绕直线式波浪能发电装置设计中的关键技术,通过三维建模技术和Ansoft/Maxwell仿真软件,开展了铁芯槽口大小优化、磁铁充磁方式选择、磁铁间隙优化以及铁芯纵向端部效应改善和弥补方法等研究,提出了一种直线式波浪发电装置,对优化后的直线发电机模型进行了电磁瞬态仿真分析,进而得出该发电机的电磁力矩曲线、磁链曲线、以及所产生的感应电动势曲线图,为直线式波浪能发电装置设计提供了理论依据。研究结果表明,该发电机的励磁源选择了钕铁硼永磁材料,具有功率大、性能指标较优越、结构紧凑简洁、噪音低、效率高等显著优势,端部铁芯齿宽度增大可以解决和弥补纵向边端效应的问题。     

基于小波包频带能量分解和欧氏贴近度的柴油机气阀机构故障诊断

通过调整柴油机气阀机构的不同气门间隙，采集柴油机缸盖表面的振动信号。利用小波包改进算法对所采集的信号进行频带分解。研究了不同气阀间隙情况下的缸盖振动频带能量分布规律。以频带能量为特征向量，以同一工况下我次采样均值作为标准模式，通过计算欧几里得贴近度实现了对柴油机气阀机构间隙异常的故障诊断。