超声导波用于液层负载板损伤检测的数值模拟

液层负载薄板结构的损伤检测是结构无损检测和健康监测中的一个重要问题。为寻求合适的液层负载薄板结构损伤检测信号及分析损伤缺陷对检测信号的响应,求解了双侧液层负载薄板的频散方程,计算得到4 mm双侧水域负载铝板的频散曲线,并利用有限元模拟方法研究了缺陷位置、角度及大小对铝板中检测信号的影响。研究结果表明:中心频率小于100 kHz的S0模式漏Lamb波衰减因子趋近于0,适合长距离损伤检测。此外,当缺陷的存在造成板结构的不对称性时,声信号在缺陷处发生明显的模式转换,且转换出的A0模式信号的透射系数随缺陷位置到板厚中心距离的增加而减小,随缺陷与铝板中间面的角度和缺陷长度的增加先增大后减小,并随缺陷宽度的增加而增大。     

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。      

悬索桥缆索钢丝损伤超声导波检测数值模拟

为了实现对大跨悬索桥缆索钢丝损伤的有效检测,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对超声导波无损检测技术进行研究。通过理论求解钢丝中导波的频散曲线,分析频散特性和波结构,选取中心频率为200 kHz的L(0,1)模态进行钢丝断丝损伤检测;利用有限元软件,研究了钢丝中导波的频散特性和波结构,通过二维傅里叶变换技术对钢丝中的低阶导波模态进行识别,进一步分析了缺陷尺寸和角度对L(0,1)模态缺陷反射系数的影响;最后,对L(0,1)模态在两根钢丝和七根钢丝的断丝处的缺陷回波进行了数值模拟。数值模拟与理论分析结果相吻合,说明低频L(0,1)模态可以有效地对缆索钢丝断丝损伤进行远距离检测。     

基于超声导波技术对钢杆表面缺陷的无损检测研究

研究了圆柱钢杆内导波的传播及其频散特性。通过实验验证了杆中“直达纵波”这一现象并对其进行了分析,同时利用所建立的实验系统,对2320mm长圆柱钢杆表面的人工缺陷进行了检测。结果表明,在特定频率处,选择L(0,1)模态的超声导波检测钢杆中的缺陷是可行的。     

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。     

基于超声导波的钢梁结构损伤大小识别研究

本研究探讨了应用超声导波检测技术在较厚结构中对结构损伤大小识别的可行性。基于优化的激励波形和PZT换能器布局,应用商业有限元软件Abaqus对导波在结构中的传播进行了仿真;同时对无损伤及有损伤的仿真模型进行了实验验证,实验信号与仿真波形具有很好的吻合度。仿真结果表明：随损伤深度或者损伤厚度的增加,损伤反射波波包、透射波波包的到达时间和信号幅值都会随之呈现一定规律的变化,从中提取变化较大的信号特征可用于损伤大小的识别。     

基于时间-空间变换的超声导波检测新技术研究

超声导波的频散和多模态特性,对超声导波检测的效果和检测范围有很大的影响.在分析超声导波时间-空间传播特性基础上,建立了超声导波检测的空间表述模型.由于考虑了导波传播过程中的频散特性,空间表述模型减小了频散对导波检测波形的影响,提高了检测系统分辨率,并可以直接获得结构中特征体信息,如端面、缺陷的位置等.实验结果表明,该技术可以大大提高超声导波检测范围和检测效果.     

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。     

厚梁结构中的导波传播与激励频率选择研究

通过导波在厚梁结构中传播时所表现出的特性,分析导波在厚梁结构中传播的机理。基于Rayleigh-Lamb方程,开发出用于绘制计算Lamb波在各向同性板结构中传播的频散曲线的专业软件。综合考虑在厚梁结构中影响导波激励中心频率选择的各种因素,如：选取适当的导波模式、降低频散效应的影响、增加导波信号的幅值、提高信号时域分辨率和抑制局部对称效应等。基于以上分析优化了激励信号的参数,并提出基于导波的结构健康性监测技术中激励频率选择的标准化流程。     

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。     

SH导波在钢板缺陷检测中的传播特性

水平剪切(Shear Horizontal,SH)导波在传播的过程中有对称模式和反对称模式,其相速度和群速度主要取决于试件的厚度和频率之积(频厚积)。利用COMSOL有限元分析软件,建立了钢板缺陷的3-D模型,仿真分析了SH0导波在钢板中的传播特性。仿真结果表明SH波在传播过程中很少发生波束方向的改变,无频散和模式转换,信噪比高。利用电磁超声方法激励SH波,对钢板中的裂纹和焊缝缺陷进行了实验,验证了仿真结果的正确性及可行性,为超声导波在板材缺陷检测中的应用提供基础。     

基于超声导波检测管道缺陷的数值模拟

为了研究扭转模态在不同形状管道中的传播特性和缺陷的检测能力,建立了带有缺陷的管道有限元模型,利用有限元软件ABAQUS对T(0, 1)模态导波在直管、弯管中的传播过程进行数值模拟研究。导波信号采用汉宁窗调制的正弦信号,激励T(0, 1)模态信号。结果表明:最低阶的扭转模态适合于管道的缺陷检测;50 kHz的T(0, 1)模态导波对直管、弯管上的缺陷敏感,在缺陷对应的位置上,导波的回波幅值最大,能量也较集中。     

基于超声导波检测的角钢型材缺陷特性分析

输电线路铁塔长期暴露在大气环境之中受到腐蚀,会造成角钢型材不同位置出现壁厚减小的情况,严重时可能导致铁塔断裂倒塌.为此,对角钢型材内壁锈蚀情况的检测技术进行探究.首先,对超声兰姆波的传播机理进行分析,确定角钢型材超声兰姆波的检测模态;然后,基于有限元理论对角钢型材进行三维数值建模,通过数值模拟探究了导波在钢材中的传播特...     

基于磁致伸缩导波的尖轨缺陷检测技术研究

尖轨在其周期性载荷作用下易发生断裂,引发列车事故。为对尖轨缺陷进行检测,文章基于磁致伸缩效应研制了导波检测系统,研究导波在尖轨中的传播特性、导波对尖轨附属件的检测能力以及缺陷的识别能力。采用ABAQUS/Explicit有限元方法研究了不同频率导波在尖轨中的传播特性。所研发的磁致伸缩导波检测系统在尖轨上的检测是可行有效的。使用导波检测系统在尖轨底面激励的水平剪切导波在基本轨和尖轨上可传播的有效距离至少为12 m,在空轨中至少能传播16 m。而且低频导波主要沿轨底传播,高频导波主要沿轨腰和轨头传播,多频导波结合能更加准确地对尖轨的检(监)测。     

基于干耦合横波超声换能器的钢丝长度检测及缺陷定位

在特定工况下会出现无法将超声换能器放置在杆状构件底面完成常规检测的问题,如服役桥梁的平行钢丝构件、装配式建筑中灌浆套筒内的插入钢筋。为了提高超声导波技术的适用性,提出了将频率为50 kHz的自发自收式干耦合横波超声换能器置于杆状钢丝侧面进行长度检测及缺陷定位的方法。结合理论分析、仿真模拟和试验验证开展研究,结果表明：干耦合横波超声换能器的最优激发角度为90°,即激发方向垂直钢丝轴向;对于不同长度和不同缺陷位置的钢丝,长度检测和缺陷定位的仿真及试验结果的预测相对误差均小于2%。     

基于空间拓展法的管道高阶螺旋导波波包追踪方法研究

螺旋导波是管道短距离高精度层析成像技术采用的主要导波模态,可以有效地提高成像分辨率,弥补目前管道导波长距离大范围检测精度低的缺点,在管道腐蚀检测中具有重要意义。然而由于导波的频散及螺旋导波的多路径传播特性,换能器接收到的检测信号波包众多,且经常发生重叠。为了便于分析这些波包的来源,需要有效的方法来计算各阶螺旋传播路径的长度及波包到达时间,进行波包追踪。推导了基于空间拓展法的管道高阶螺旋导波传播路径的计算模型,并针对各向均匀辐射的柱面波前兰姆波形成的管道螺旋导波,进行了数值计算和实验验证,证明了模型的正确性及其在波包追踪中的有效性。对利用管道螺旋导波进行检测及层析成像具有理论指导作用。     

铝薄板裂纹电磁超声导波B扫描检测实验研究

采用Disperse软件,计算了3 mm厚度铝合金薄板的水平剪切(Shear horizontal, SH)导波频散曲线,设计制作了中心频率为0.22 MHz的SH导波电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer, EMAT),对铝薄板试样中直裂纹进行了B扫成像检测实验分析,采用同步挤压小波变换(Synchrosqueezedwavelettransform,SWT)对来自铝薄板试样中直裂纹SH导波信号进行了去噪处理。实验结果表明,SWT可以去除原始导波信号中的噪声,并实现导波模态分离,有助于改善B扫图像的质量。所设计的SH导波EMAT能够有效地检出3 mm厚铝薄板试样中10 mm长、1 mm宽、2 mm深的人工直裂纹。