基于磁致伸缩效应在钢绞线中激励接收纵向导波模态的试验研究

对利用磁致伸缩效应在钢绞线中激励接收纵向导波模态的方法进行理论分析和试验研究。分析在公称直径为17.80mm的7芯钢绞线中纵向模态的传播特性。选取钢绞线外围钢丝中频率160kHz的L(0,1)模态用于钢绞线的健康检测。基于该模态的传播特性和钢绞线缠绕式外表面的特点,研制一种专用磁致伸缩传感器,用于7芯钢绞线的超声导波检测。该传感器的主要结构包括轴对称三磁路励磁结构和正反正绕向的三段式螺线管。三磁路励磁结构用来产生强度适合且均匀的偏置磁场,并设计专用夹片以降低钢绞线不规则外形所造成的空气磁阻。螺线管每段绕线的有效轴向宽度为频率160kHz的L(0,1)模态波长的一半。利用研制的磁致伸缩传感器,在长1180mm的自由钢绞线中进行超声导波的激励接收试验。试验结果表明,该传感器可以激励和接收选定的纵向模态L(0,1),为基于磁致伸缩效应的钢绞线超声导波检测奠定了一定基础。     

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。     

基于纵向模态超声导波陷频特性的钢绞线拉力测量新方法

试验发现了钢绞线结构中L(0,1)模态导波存在陷频这一固有声学特性,由此提出一种钢绞线拉力检测新方法。为测试钢绞线中导波陷频特性与拉力的关系,研制了一款柔性低频磁致伸缩传感器,可在30~160 k Hz范围内激励/接收L(0,1)模态导波。在直径17.8 mm和15.2 mm的两种7芯钢绞线上进行导波陷频检测试验,结果表明陷频特征频率与拉力的自然对数值呈良好线性关系,陷频旁侧峰值比随拉力增大而线性增加。试验中1 k N的拉力增量(应力增量约3 MPa)引起的声学参数(陷频特征频率和陷频旁侧峰值比)变化可被检测到并较好的符合标定关系方程。在额定工作载荷内,拉力估算相对误差小于1.5%,这表明新方法具有较高的拉力检测精度。同时,依据试验所得结论,给出了钢绞线结构中L(0,1)模态导波陷频中心频率与拉力关系的修正公式。新方法实施过程简洁,具有很好的工程应用前景。     

土壤声学特性的超声导波测量

土壤的声学特性对地埋管道中超声导波传播有重要的影响。在空气和地埋情况下,通过典型波导(细钢杆)的超声导波检测试验的方法来测量土壤声学特性。基于超声波的衰减特性,通过将试验获得的杆中L(0,1)模态导波的衰减曲线,与理论衰减曲线进行比对的方法,得到土壤的声学特性参数-纵波和横波波速。在该土壤声学特性条件下,研究土壤对管道中超声导波传播影响。研究发现,此种土壤介质对管道中超声导波传播有很大影响,在低频处产生了新的轴对称模态:α1和α2。     

基于群速度校准的超声导波技术及在复合材料缺陷检测中的应用

由于在复合材料板中传播的超声导波具有偏斜效应,使得理论群速度与试验测得的群速度不一致,因此需要对群速度幅值和传播方向进行校准。数值计算复合材料板中超声导波频散方程得到S0模态各个方向的理论相速度频散曲线。运用群速度校准法则对S0模态群速度幅度和传播方向进行修正。校准后的理论群速度与试验测得的群速度较为吻合。试验中采用频率200 kHz的S0模态对碳纤维复合材料板中的模拟缺陷进行检测。结果显示采用校准后群速度和试验测得的群速度可准确定位缺陷,且具有很好的一致性。因此,采用群速度校准法则可有效提高各向异性复合材料结构中超声导波的缺陷定位和识别能力。     

管道导波无损检测频率选择与管材特征关系

选取合适的导波激励频率在导波无损检测工程应用中具有重要实用意义.分别讨论L(0,1)和L(0,2)模态导波在管道中存在截止频率现象,给出相应截止频率计算公式,并研究L(0,1)和L(0,2)导波截止频率分别随管道直径和壁厚变化关系.通过选择不同的激励频率,对一给定的钢管进行试验检测.结果表明:随着管道直径的增大,L(0,1)导波低通截止频率和L(0,2)导波高通截止频率都随之减小;随着管道壁厚的增大,L(0,1)导波低通截止频率和L(0,2)导波高通截止频率开始时都随之增大,但增大的幅度慢慢变小,当管径达到一定值时,两者的截止频率与管道的壁厚变化无关;管道导波检测激励频率选择的理论计算和试验结果相互一致.     

基于非参数Snakes的时频重排方法在钢绞线导波模态识别中的应用

为了使信号在时频域内提高聚集性和减少相干项,重排方法在处理非平稳信号中得到广泛应用.然而在传统重排处理后仍存在一些相干项和低信噪比的问题.采用一种基于非参数Snakes的时频重排方法,用于对钢绞线中超声导波信号中的模态识别.结果表明,相对于短时傅里叶变换和传统重排方法,基于非参数Snakes的时频重排方法得到的谱图具有更高的聚集性,且有效提高了信噪比.并且与外围钢丝的群速度频散曲线对比显示,利用该方法得到时频谱图能更准确地反映出主要超声导波模态的信息和各模态群速度变化趋势.因此,利用基于非参数snakes的时频重排方法,可以为提高不同波导结构中超声导波模态的识别能力奠定重要基础.     

小波降噪在钢绞线缺陷检测中的应用

在对钢铰线进行的超声导波检测试验中,使用一对自行研制的磁致伸缩式传感器在公称直径17.80 mm的7芯钢铰线中激励接收了最低阶纵向模态L(0,1)模态导波.采用以40阶Daubechies小波为母小波的多层离散小波分解及单支重构的方法对检测信号进行降噪处理,能有效地提高信噪比.在此基础上对钢绞线外围钢丝上的刻痕缺陷进行检测,经小波降噪后的信号中能够提取出缺陷信息.这种利用小波降噪对信号处理的方法为超声导波技术应用于钢绞线健康检测奠定了基础.     

空心圆管中导波频散特性与检测频率选择

频散是长距离管道导波检测中影响检测频率选择的重要因素。通过分析空心圆管中纵向模态导波的频散特性,探讨导波检测常用模态L(0,2)和L(0,1)的频率选择问题。根据导波频散现象,建立缺陷回波分辨距离与激励信号参数间的量化关系,分析检测频率优化选择问题。以导波频散引起的信号分辨距离为依据,计算不同几何尺寸管道中L(0,2)和L(0,1)导波非频散段的限制频率。结果表明,限定或最小化缺陷回波分辨距离,可获得最佳的导波激励信号周期及检测频率或频段。随着管道几何尺寸变化,得到L(0,2)和L(0,1)导波频散特性变化的几个重要结论。当管道内径壁厚比不小于4时,L(0,2)导波低限频率与管道直径的乘积约为4.0 MHz·mm,高限频率与壁厚的乘积约为1.06 MHz·mm。对于小口径管中的L(0,1)导波,其高限频率与直径的乘积约为0.81 MHz·mm。这些简单的函数关系为管道检测时快速确定非频散段频率范围提供参考。     

基于L(0,2)模态导波的缺陷反射信号的实验研究

通过管道超声导波缺陷反射理论和检测理论,分析了超声导波与缺陷作用后的传播特性。为了对管道中缺陷信号进行辨识,利用周向压电晶片阵列在带有不同缺陷的管道中激励不同频率的L(0,2)模态导波对管道进行缺陷检测实验,研究了导波激励频率、模态转换后各模态幅值与缺陷尺寸的关系。结果表明,在缺陷截面比与信号激励频率相同的情况下,裂纹缺陷的反射系数比腐蚀缺陷的反射系数大;L(0,2)模态导波与裂纹缺陷相互作用后会产生F(2,3)模态;与缺陷同一周向位置的压电片接收的反射回波幅值最大。     

Temperature Dependence of Ultrasonic Longitudinal Guided Wave Propagation in Long Range Steel Strands

Ultrasonic guided wave inspection is an effective non-destructive testing method which can be used for stress level evaluation in steel strands.Unfortunately the propagation velocity of ultrasonic guided waves changes due to temperature shift making the prestress measurement of steel strands inaccurate and even sometimes impossible.In the course of solving the problem,this paper reports on quantitative research on the temperature dependence of ultrasonic longitudinal guided wave propagation in long range steel strands.In order to achieve the generation and reception of a chosen longitudinal mode in a steel strand with a helical shaped surface,a new type of magnetostrictive transducer was developed,characterized by a group of thin clips and three identical permanent magnets.Excitation and reception of ultrasonic guided waves in a steel strand were performed experimentally.Experimental results shows that in the temperature range from-4 ℃ to 34 ℃,the propagation velocity of the L(0,1) mode at 160 kHz linearly decreased with increasing temperature and its temperature dependent coefficient was 0.90(m·s-1 ·(℃)-1) which is very close to the theoretical prediction.The effect of dimension deviation between the helical and center wires and the effect of the thermal expansion of the steel strand on ultrasonic longitudinal guided wave propagation were also analyzed.It was found that these effects could be ignored compared with the change in the material mechanical properties of the steel strands due to temperature shift.It was also observed that the longitudinal guided wave mode was somewhat more sensitive to temperature changes compared with conventional ultrasonic waves theoretically.Therefore,it is considered that the temperature effect on ultrasonic longitudinal guided wave propagation in order to improve the accuracy of stress measurement in prestressed steel strands.Quantitative research on the temperature dependence of ultrasonic guided wave propagation in steel strands provides an important basis for the compensation of temperature effects in stress measurement in steel strands by using ultrasonic guided wave inspection.     

预应力钢绞线磁谐振应力监测试验研究

预应力钢绞线是混凝土结构的关键受力构件,其有效预应力一旦损失严重,将威胁结构安全。为了精准监测钢绞线应力状态,基于磁谐振原理和磁弹效应,提出预应力钢绞线磁谐振应力监测方法。设计了双线圈磁谐振传感器,分析了测试频率选择方法,搭建了钢绞线应力监测系统。为验证该方法的可行性,对不同设计拉力的镀锌钢绞线和涂环氧树脂钢绞线试件进行了应力监测试验。试验结果表明：不同批次的钢绞线对应的感应电压随拉力的变化趋势相似;感应电压和钢绞线应力非线性相关,三次拟合优度R~2均大于0.96,灵敏度可达0.064 79%/kN;依据拟合结果和测得感应电压计算钢绞线应力,得到在高荷载情况下钢绞线应力测试误差集中小于4%,为预应力钢绞线监测提供了新方法。     

基于导波多尺度能量熵的钢绞线张拉力识别

为了有效评估在役钢绞线中预应力的损失程度,提出一种识别钢绞线张拉力的导波无损检测方法。在不同张拉力钢绞线上进行了超声导波传播数值模拟及实验,构建以导波多尺度能量熵为特征向量的识别指标进行钢绞线张拉力识别,并考虑了导波传播距离及采集方式的影响。结果表明:不同拉力作用下,导波多尺度能量熵差异显著,识别指标与钢绞线张拉力存在明显的线性关系;识别指标敏感性随导波传播距离的增加而增强,但其提升幅度随传播距离的增加而减小。与有限元模拟结果相比,实测识别指标传播距离增加957.69%,敏感性系数提高了20.3%。采用中心钢丝激励、中心钢丝接收导波的采集方式进行张拉力识别,敏感性更优;识别指标与张拉力之间的线性变化规律受导波采集方式的影响较小。     

基于机器视觉的硅钢板边浪平直度测量方法

针对硅钢生产过程中存在的边浪平直度难以检测问题,提出了一种基于机器视觉的硅钢板边浪平直度测量方法。在辅助光源照射下使用相机采集边浪图像信息,强化边浪的图像明暗特征,提高检测精度的同时实现非接触式测量。同时提出了一种基于轮廓检测的硅钢板边浪平直度算法,首先利用种子点生长法的思想对边浪区域进行轮廓定位;其次对图像进行 3 个尺度的高斯滤波,重建图像,增强轮廓细节;最后基于优化的 Canny 边缘检测方法对边浪实现自适应阈值轮廓提取,计算平直度,从而实现非接触式高精度边浪平直度测量。将平直度测量仪测量结果与该方法结果进行对比,结果表明,所提方法平直度测量误差不超过 0.05% 。     

The Law of Response of L<Subscript>CR</Subscript> Wave in the Plastic and Elastic Deformation in A36 Steel

Nowadays the method of the longitudinal critical refraction wave (L_CR wave) is an effective method to nondestructively measure the on-line stress in the huge steel structures. The present study and research of the method of L_CR wave are mainly focused on measuring the residual stress in the steel structures, in contrast to the few research findings related to the on-line stress measurement in steel structures (including the elastic and plastic deformation). Based on the Acoustoelastic effect, the L_CR wave stress measurement system is built to measure the change of time of L_CR wave propagating, stress coefficient and the energy of L_CR wave in A36 steel test specimens from the elastic deformation to the plastic deformation. The conclusion is: At the free-stress condition, the flight time of L_CR wave and stress coefficient show an obvious change between the elastically deformed test stage and plastically deformed stage. The change of flight time and the intensity attenuation of L_CR wave show a turning point, when the specimen undergoes the process from elastic deformation to plastic deformation. And the extent of plastic deformation in the steel structure can be evaluated by the extent of intensity attenuation of L_CR wave. The experimental method will be showed in this paper for measuring the extent of plastic deformation in the steel structures in service on construction scene using the L_CR wave method.     

钢板弹簧的波动传递特性分析

对钢板弹簧三种波动方程进行分析,针对不同的波动方程,分别提出求解钢板弹簧传递特性的方法,并推导出弹性波在钢板弹簧中的传递速度,对沿弹簧传播的位移、速度、应力、应变和作用力的传递特性进行了探讨。推导了钢板弹簧不同传递波的波阻公式,为钢板弹簧的波动理论建模及实际应用提供参考。     

Study on strengthened layer of workpiece in prestress dry grinding

The prestress dry grinding which combines with prestress grinding and surface strengthening is an innovative approach to substitute conventional grinding process. The residual stress and the thickness of strengthened layer have an important effect on surface performance of workpiece. In order to analyze the effect mechanisms of prestress on residual stress and thickness of strengthened layer, experiment and simulation are carried on for 45 steel. The result of prestress dry grinding experiment shows that the grains in the strengthened layer are refined with increase of prestress. The thickness of strengthened layer tends to decrease first and then increase with increase of prestress. The simulation model of temperature field is created. The effect of temperature field on the thickness of strengthened layer and different grinding parameters especially the prestress on temperature field are analyzed. Then, the relationship between prestress and residual stress on different directions are analyzed. The variation curve of residual stress shows that tensile residual stress can transform to compressive residual stress on the surface of workpiece by controlling the prestress. Besides, compressive residual stress increase first and then decrease with the increase of depth.     

基于超声波的插入式钢水温度测量装置设计

根据超声波在棒状固体介质中的传播速度与该介质温度的关系,设计了一种基于超声波的插入式钢水温度测量装置,该装置能够实现对钢水温度的实时连续测量。感温导杆设计成棒状结构,不仅方便插入钢水测量其温度,而且简化了温度测量原理。采用高速高分辨率硬件电路和软件细分插补算法,可以精确确定超声波回波传播的终点时刻,得到精确的超声波传播时间并计算出对应的温度值。该温度测量装置可以灵活地应用于各种高温环境的温度测量和涉温控制领域。     

扁平绕带式压力容器筒壁应力可控性设计分析

通过对扁平绕带式压力容器结构分析,提出通过合理控制扁平绕带式压力容器钢带预应力,控制容器筒体的应力分布。