基于弹性导波的厚钢梁结构的损伤检测

弹性导波由于其对损伤的敏感性和长距离传播特性,成为近年来结构健康监测领域的一个研究热点.探讨了利用 PZT 换能器在较厚结构中进行基于弹性导波方法的损伤识别的可能性.首先参考 Lamb 波的频散曲线,设置了导波的激励信号参数如激励频率、激励波形周期数等;基于优化的激励波形和 PZT 换能器布局,在结构健康监测实验平台上对试件进行了检测.通过对实验结果的处理分析,计算出导波的群速度,并根据群速度和飞行时间(ToF)得到了损伤的位置信息.结果表明利用导波方法能够针对较厚结构进行损伤定位并能识别出不同大小的损伤.     

基于振动模态分析的钢轨中超声导波传播特性数值计算方法

针对钢轨等复杂异型波导结构中超声导波频散特性难于求解的问题,本文通过振动模态分析提取出钢轨中超声导波传播特性。基于振动特征频率和波动解互相转化的原理,将振动模态分析获得的特征频率解,转换成波动解,进而提取出钢轨的频散特性。同时,还可以由结构振动分析中获得的变形信息,计算出超声导波的波结构。通过对计算出的钢轨中低阶超声导波模态频散特性和波结构分析,选择出适合钢轨无损检测的超声导波模态类型和频率范围,为后续专用超声导波传感器设计和检测实验提供理论支持。     

基于超声导波的列车转向架结构损伤定位成像研究

转向架构架为列车重要部件,其健康状况直接关系到列车安全运行,而基于超声导波的无损检测技术能够用于结构健康监测。采用导波反演法获取构架材料的体波波速,结合Lamb波频散方程得到构架的Lamb波频散曲线,进而选择激励信号。载荷和构架边界都会使响应导波信号特征变得复杂,使得损伤定位误差增加。为减少时域信号误差的影响,采用完好结构与检测结构的激励信号与相应导波能量谱相关系数进行分析。通过此系数获取检测结构的损伤指数,经权函数对各导波传播路径加权,从而得到损伤概率密度大小,进行损伤定位诊断成像。在构架中分别沿焊接方向以及承载剪切方向引入切槽损伤进行实验测试。结果表明,该方法能够较准确地实现损伤定位。     

火炮身管超声导波频散特性及传感器配置

超声导波检测技术具有检测距离远、效率高的优点,适用于检测火炮身管等圆管类结构,具有突出的军事应用价值和前景。首先对圆管超声导波理论进行推导,并对身管损伤的几种常见类型进行分析研究。采用数值计算的方法绘制频散曲线,通过分析其频散特性对导波检测频率进行优选,初步得到了最佳的检测频率范围;其次着重对传感器种类选择、数量及分布方式与导波传播特性的关系进行研究。实验表明,导波检测的最佳频率范围为0～300 kHz,且导波弯曲模态一般不宜作为检测模态;传感器数量的增加不仅增强了激励信号的强度,还有效抑制了身管中导波的频散。     

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。     

激光超声导波分频段时域滤波及频率波数域逆时损伤成像

构建了一个激光激励和激光多普勒扫描拾振的完全非接触式超声导波损伤检测实验平台,实现对结构中超声导波场的高分辨率拾取,克服了常规接触式导波换能器致使波场检测空间分辨率低等不足。提出分频段时域滤波的方法,将激光超声宽频带信号分解为多个窄带信号以抑制频散效应,进而在无基准信号的前提下实现对损伤信号的提取;在此基础上应用频率波数域逆时损伤成像方法重构入射波场及损伤散射波场,以确定损伤边界,进而综合各窄带信号的损伤成像结果以获得更为精确的成像。仿真和实验结果表明:结合小波分析分频段时域滤波法与频率波数域逆时损伤成像方法能够实现各向同性板状结构中损伤的非接触检测,在工程实践上具有更广的应用价值。     

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。     

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。     

基于导波的焊接方管损伤检测的仿真与实验分析

基于导波的损伤检测方法是结构健康监测领域的研究热点,并在工程应用上表现出很大的潜力。通过有限元仿真和实验分析的方法对某型列车底盘转向架局部焊接方管结构上的损伤检测问题进行研究。仿真中建立结构的三维模型以模拟导波在其中的传播过程,实验中采用主动式换能器网络激发和接受在结构中传播的导波。优选激励频率以减少导波固有的多模式现象对后续信号分析的影响。借助小波变换和希尔伯特变换等方法对所有采集到的信号进行处理,并利用“导波三角定位法”进行损伤定位。实验结果验证了该方法的有效性。     

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。     

杆中导波声弹敏感模态与激励频率的确定方法

基于超声导波声弹性效应检测波导结构的应力水平具有潜在的优势。为实现超声导波声弹应力检测的关键技术——检测模态与激励频率的选取,提出一种基于Murnaghan超弹模型的有限元特征频率法。使用该方法计算预应力杆中的频散特性,得到反映不同激励频率应力敏感性的声弹频散曲线,与文献中的L(0,1)模态试验结果进行对比,趋势一致,说明该方法的适用性。为进一步验证该方法的可靠性,选取L(0,1)模态声弹敏感的几组频率,在自制拉伸试验平台上,对碳素钢杆进行超声导波声弹试验。试验结果表明:低应力区域误差较大,在高应力区域误差均低于10%,且声弹常数与理论结果趋势一致。研究表明该理论方法可指导超声导波声弹应力检测时频率与模态的选取。     

一种多层圆管纵向导波频散特性分析方法研究

针对导波频散特性对圆管纵向导波探伤效果影响的问题,提出一种基于频散特性的外推分析方法,通过优化选取导波检测模式和频率来减少频散特性对圆管纵向导波探伤结果的不良影响。首先应用全局矩阵法推导出多层圆管纵向导波的Pochhammer-Chree频散特性方程,并提出一种能够反映纵向导波传播强弱的截面功率流模型。然后结合外推预测和双尺度迭代逼近过程,给出了导波频散特性以及截面功率流的数值计算方法,并利用计算结果进行分析,提出一种导波检测模式和频率的选择方法。实验表明其结果与理论分析基本一致。上述方法可为圆管损伤检测中导波参数的合理选择提供参考。     

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。     

无限介质包围的充液管道中导波的频散特性

利用波传播方法从理论上分析了无限介质包围的充液管道中导波的频散特性。基于经典的薄壳振动理论,求出了不同传输路径中的波数表达式,并利用数值方法对振动方程进行解析研究,分析管道参数和无限介质对导波频散特性的影响。结果表明,管道厚径比、管壁厚度、无限介质和管壁材料与导波频散密切相关。其中管道厚径比和管壁材料对流体主导波（s1波）频散的影响更大,管壁厚度和无限介质对管壁压缩波（s2波）频散的影响更大。通过仿真证实了无限介质对s2波频散的影响比对s1波更大。研究结果对于地埋管道的漏损检测具有一定的参考意义。     

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。     

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。