管结构导波频散曲线绘制与试验验证

从理论上分析了管道结构中三种模态簇导波的传播特性。根据推导出导波的频散方程,通过数值方法绘制出了导波的频散曲线。利用试验验证了所建立的频散曲线的有效性。在两种不同截面尺寸的管道中进行激励70kHz-200kHz范围内的纵向模态试验,结果表明L(0,2)在管结构中传播速度与理论值较吻合,对利用超声导波对管道进行无损检测具有一定实际指导意义。     

正交各向异性空心圆柱体中的纵向导波

基于三维线弹性理论,采用勒让德正交多项式展开法,推导了正交各向异性材料中纵向导波的耦合波动方程,并对耦合波动方程进行了数值求解。首先,为确定方法的适用性和准确性,利用Disperse软件求解各向同性空心圆柱体中纵向导波的频散曲线,并将其与勒让德正交多项式展开法求解结果相对比,二者结果完全一致。然后,讨论了勒让德正交多项式截止值对轴对称导波频散曲线收敛性的影响,并从数值计算的角度分析了产生影响的原因。最后,针对碳纤维缠绕的复合材料空心圆柱体,分别求解纵向、扭转和弯曲三种不同模态纵向导波的相速度频散曲线。计算了不同径厚比下的弯曲模态相速度频散曲线,分析径厚比的变化对频散曲线的影响。     

黏弹性正交各向异性空心圆柱中纵向导波的传播

基于线性三维弹性理论和Kelvin-Voigt模型,采用勒让德正交多项式展开法推导了黏弹性正交各向异性空心圆柱中纵向导波的波动方程,数值求解了波动方程并阐述了相关方程的含义。首先计算了大径厚比下黏弹性管的相速度频散曲线和衰减曲线,并与已发表文献的结果进行了对比,验证了程序的正确性,并进一步计算了低阶纵向导波的位移分布和应力分布曲线,验证了方法的可靠性。然后利用方程的解耦特性,分别求解了不同径厚比、不同黏性常数下纵向模态和扭转模态的频散和衰减曲线,研究了径厚比和黏性常数效应对两种模态的影响。最后针对扭转模态导波,研究了材料相关黏弹性常数对其频散特性和衰减特性的影响。      

圆柱壳中结构振动波的传播特性

计算了圆柱壳中低阶和高阶周向模态结构振动波的频散结果，得到了相应的频散曲线。着重分析了近场波和衰减驻波的性质及其随频率变化的规律，结果表明：纵向伸缩近场波和扭转近场波都不具有通常意义上的纵向伸缩和扭转的性质，弯曲近场波则具有通常意义上弯曲性质；衰减驻波大体上是弯曲性质的驻波。文中把低阶和高阶周向模态情况下波的频散规律也作了比较。     

流体管道超声导波无损检测

研究工程中流体管道的结构损伤识别技术具有现实的意义。以实现管道损伤定位为目的,探讨超声导波检测技术在流体管道的结构损伤识别中的可行性以及其识别精度。选择材料为20#碳钢的圆管为研究对象,根据频散方程利用数值法求解其各个模态频散曲线。以管中导波的传播原理为基础,从管中导波的模式、频散特征、避开截止频率、传播速度等方面因素选择激励信号,通过Abaqus有限元仿真分析导波在流体管道中的传播机理,利用概率密度函数法实现流体管道损伤定位。最后通过在管道上引入切槽损伤和孔损伤进行实验,对定位方法进行验证,实验结果与仿真分析基本吻合,证明了该方法的工程实用价值。     

钢轨垂直振动模态导波频散曲线、波结构及检测应用*

频散曲线和波结构是钢轨导波检测时设计检测方法和分析回波波形的基础。首先介绍了半解析有限元计算任意截面弹性波导中导波传播的频散曲线和波结构的基本方法。然后应用该方法求解了U60型钢轨中垂直振动模态的导波频散曲线和波结构,并讨论了频散曲线和波结构在钢轨轨头缺陷导波检测中的应用。最后采用模态力锤实验及时频联合分析的方法验证了频散曲线数值计算结果。钢轨轨头横向裂纹垂直振动模态导波检测的有限元数值模拟和实验表明该模式导波是检测钢轨轨头缺陷的有效检测模式波型。     

超声导波频散曲线反演皮质骨参数的研究

皮质骨参数的变化可以反映骨质的健康状况,因此文章提出了一种频散能量匹配算法来反演皮质骨参数。首先,通过频散特性方程计算出预定义参数下的频散曲线数据库;其次,利用时域有限差分算法建立皮质骨声场模型,将仿真的时域信号通过功率谱估计得到频散能量信息,并与数据库进行匹配,通过分析匹配结果的能量从而得到皮质骨的厚度、纵波速度和横波速度。仿真结果显示：与理论值相比,厚度的平均相对误差为3.8%,纵波速度与横波速度的平均相对误差分别为0.6%、0.9%。对三组离体牛胫骨皮质骨进行反演,离体实验结果显示：与真实值相比,厚度相对误差为4.9%,且实验频散曲线与反演得到的理论频散曲线吻合。因此文中所提出的反演算法可以有效获取皮质骨的厚度,横波速度和纵波速度,从而为评价骨质的健康状况提供可靠的依据。     

周向导波在不同连续性条件多层圆筒中的传播

通过对多层厚壁圆筒中周向导波频散曲线研究,发现周向导波在多层圆筒中传播时,会发生明显的频散现象和模态干涉现象,第1阶模态在高频时接近于无频散的Rayleigh面波。通过对不同连续性条件的多层筒与单层筒的频散曲线比较,以及筒的层数对频散曲线的影响,都充分说明了检测层间界面缺陷的周向导波应该集中在低阶模态上。最后对不同连续性条件多层筒的位移研究,最终推断出第2阶模态具有在层间界面附近集中能量的特征,可应用于层间界面缺陷的周向导波无损检测技术中。     

非均匀复合材料板中剪切波传播的研究

基于弹性界层中弹性波干涉理论,采用有效介质法,研究了剪切波在非均匀、纤维随机分布复合材料板中的传播,得到了非均匀弹性介质内的有效波数。通过满足弹性有界层的上、下边界条件,得到了非均匀界层中的频散方程。作为特例,绘出了不同参数下板中的前四阶频散曲线。可以看出,非均匀弹性有界层中的频散曲线和均匀界层中的有很大不同。最后分析了纤维和基体特性比、纤维的体积份数以及板厚与纤维半径比对频散曲线的影响。     

液浸多层薄膜-基底结构中Scholte界面波特性研究

多层薄膜-基底结构在工业领域有广泛应用，其中薄膜的厚度与弹性参数等特性对结构与器件性能有显著影响。但对多层薄膜材料参数进行无损定征较为困难。考虑界面波对界面附近材料特性敏感的特点，以及分层薄膜导致液固界面Scholte波频散与分层材料速度分布密切相关等因素，文章首先利用全局矩阵理论分析了分层结构中的声传播，并给出界面上脉冲激励的声压表达式，据此对水浸双层薄膜-基底三层结构材料声速呈正梯度、负梯度、随机分布三种结构中液固界面Scholte波的频散曲线进行数值计算。进一步详细计算了法向脉冲线源激发的界面波瞬态信号随薄膜厚度的变化。结果显示，三种结构中两层薄膜厚度均对液-固界面波频散特性有显著影响，同时不同膜厚对不同频段的Scholte波的“捕获”作用(频率选择性)十分明显。该结果为进一步利用Scholte波频散特性进行多层薄膜厚度定征提供了理论依据。     

粘性液体对管道中扭转导波传播特性的影响研究

对带有液体的圆柱/管中的波传播进行了研究。在流动为层流的假设下,研究了有粘性液体管道中扭转导波的位移模式和传播特性。分析了波的频散和衰减曲线,得到了粘性、密度等和第一阶扭转模态衰减的关系,确定了粘性液体对扭转导波的影响,为扭转导波在损伤检测中应用做了一些理论工作。数值计算结果与某文献中实验结果符合较好,一定程度上证明了液体中的层流假设,说明了第一阶扭转模态在损伤探测中的优势。     

复合管状结构中超声导波的位移分布

对超声纵向导波在复合管状结构中的传播特性进行了分析。然后分析了系统中的位移分布,以此确定了各模式检测管材的最佳频厚积范围和检测的最佳位置。结果表明,各模式的径向和轴向位移在管内壁上的值较大,而在管壁中间和管外壁上的值较小;当频厚积增大到一特定值后,管壁中间和管外壁上的径向和轴向位移都近似为零,此特定值随模式阶次的提高而增加。选取各模式检测的频厚积时,应尽可能的选径向位移较小而轴向位移较大的频厚积点。     

Guided wave propagation in an elastic hollow cylinder coated with a viscoelastic material

The propagation of ultrasonic guided waves in an elastic hollow cylinder with a viscoelastic coating is studied. The principle motivation is to provide tools for performing a guided wave, nondestructive inspection of piping and tubing with viscoelastic coatings. The theoretical boundary value problem is solved that describes the guided wave propagation in these structures for the purpose of finding the guided wave modes that propagate with little or no attenuation. The model uses the global matrix technique to generate the dispersion equation for the longitudinal modes of a system of an arbitrary number of perfectly bonded hollow cylinders with traction-free outer surfaces. A numerical solution of the dispersion equation produces the phase velocity and attenuation dispersion curves that describe the nature of the guided wave propagation. The attenuation dispersion curves show some guided wave modes that propagate with little or no attenuation in the coated structures of interest. The wave structure is examined for two of the modes to verify that the boundary conditions are satisfied and to explain their attenuation behavior. Experimental results are produced using an array of transducers positioned circumferentially around the pipe to evaluate the accuracy of the numerical solution.     

Acoustic wave propagation in piezoelectric fibers of hexagonalcrystal symmetry

An exact analysis is presented for acoustic wave propagation in cladded acoustic fibers having a core and an infinite thick cladding both made of piezoelectric hexagonal crystal of 6 mm point group symmetry. The crystalline Z axes of both the core and cladding coincide with the fiber axis. A general dispersion equation is derived for all the acoustic modes propagating along the fiber axis. Two simpler and independent equations which represent the dispersion relations of torsional and radial-axial modes can be separated from the general dispersion equation. It has been found that the radial-axial and general flexural modes are piezoelectrically active while the torsional modes are not. Approximate dispersion relations for pure guided modes in weakly guiding weakly piezoelectric fibers which are much simpler than the exact ones are also given. Numerical results are only presented for pure guided modes. Exact and approximate dispersion curves of several lower order pure guided flexural, radial-axial and torsional modes in a weakly guiding ZnS fiber are compared and they are in good agreement     

管道中T(0,1)模态导波检测技术的发展与应用现状

超声导波具有检测速度快、检测范围广等优点,被广泛应用于各类缺陷的检测。而扭转模态作为超声导波的一种对称模态,具有频散小、能量集中、信号单一且易于分析的特点。综述了近年来扭转模态的发展历程,从T （0,1）扭转导波的传播与检测原理入手,对比各类激励探头的激励原理与效果,并对其进行优缺点分析。通过分析导波模态的选取原则和导波在单层管道、双层管道和充液管道中传播的性质,总结激励频率、液体粘度、液体密度等因素对扭转模态导波在管道中传播的影响,进而明确扭转模态的适用范围及适用的信号处理方法,对于今后扭转模态的发展具有借鉴意义。     

复合材料管接头拉扭作用下胶层应力分析

发展了一种复合材料胶接管接头在拉伸和扭转载荷作用下胶层内应力分析模型。该模型利用管接头结构中缠绕法成形的管和套管材料、几何形状和所承受载荷的轴对称性,采用一阶层合板理论分析管壁的应力和变形。通过管接头中管、套管和它们之间胶层的位移协调性确定胶层内的应变和应力,从而建立了管接头结构的平衡方程。本模型计算了缠绕角为54°和26°管接头胶层内剥离应力、轴向剪切应力和切向剪切应力,计算结果与有限元分析结果相吻合。      

Acoustic wave propagation along cladded fibers of trigonal crystalsymmetry

An approximate method is proposed to analyze the acoustic wave propagation characteristics in nonpiezoelectric cladded LiNbO₃ fibers of trigonal crystal symmetry. The fiber axis coincides with the crystalline Z axis and the cladding thickness is infinite. This method utilizes coupled mode equations and exact solutions for corresponding cladded fibers of hexagonal crystal symmetry are used as the approximation base. The analysis concentrates on the trigonal materials of 32, 3 m, and ¯3 m groups. Dispersion curves of flexural F₁₁, F₂₁ and F₁₂ modes in such a fiber are presented for the first time with a focus on the fundamental F₁₁ mode. Acoustic modal birefringence phenomenon (or polarization dispersion) has been observed, which means that the dispersion relation of a mode depends on the relative transverse polarizations of the corresponding coupled modes. It was also found that in trigonal cladded fibers there are generally no pure torsional and radial-axial modes, which agrees with results previously obtained for trigonal rods     

水下带粘弹性层输油管道中纵向导波的传播特性

采用超声导波法对海底管道进行健康监测和缺陷检测,需要研究导波在深水环境下的海底管道结构中的传播特性。该文采用全局矩阵法计算纵向导波在水下带粘弹性层输油管道中的传播位移和应力,得到频散曲线和个别模态(如α 模态与L(0,4)模态)的波结构。通过对纵向导波频散曲线和波结构的详细分析,阐述了纵向导波在水下带粘弹性层输油管道中的传播规律。这既有益于加深对导波在深水环境下的海底管道结构中传播机理的理解,也可为设计采用纵向导波进行海底输油管道损伤检测系统提供技术支撑。     

弯管塑性分析及其在模态分析中的应用

基于塑性分析，推导出直管弯曲后的壁厚变化公式和椭圆度公式，借助有限元法对弯曲管进行高精度模态频率计算，研究弯曲管几何特性变化对其模态的影响。进行了弯曲管的模态实验，并将实验结果和计算结果进行比较，结果表明本文提出的模型具有比较高的精度，特别是提高了第一阶固有频率的精度。     

Analysis of weakly guiding cladded acoustic fibers of hexagonal crystal symmetry

An approximate analysis of the weakly guiding cladded acoustic fiber consisting of a core and infinite thick cladding both with hexagonal crystal symmetry is presented. The crystalline Z axis is parallel to the fiber axis. Weak guidance conditions require that the stiffness constants of the core are slightly less than those of the cladding, and the density of the core and cladding are almost the same. Approximate dispersion and cutoff equations are derived for all pure guided modes. Dispersion curves of several lower-order guided torsional, radial-axial and flexural modes are evaluated using both exact and approximate formulas and they are in good agreement. A simple approximate dispersion equation for leaky (longitudinal-type) modes is also obtained.