机械结构流体层厚度超声测量方法理论研究

针对机械设备运行状态监控需要,对机械结构流体层厚度超声测量方法进行了理论研究。根据流体层厚度超声测量的实际情况,建立了超声波在三层介质中传播的理论模型,并由边界连续条件,得到流体层超声波反射系数的连续模型。通过对不同厚度流体层反射系数曲线的理论分析,得到流体层厚度超声反射系数测量的谐振模型和弹簧模型,即通过流体层的谐振频率和刚度系数来表征其厚度。同时,研究了三层介质的声学特性对流体层超声反射系数及厚度测量的影响。     

空心圆柱体中的周向超声导波

通过理论分析及数值计算研究空心圆柱体中周向导波的传播及频散特性,确定影响空心圆柱体中周向导波传播与频散的几何形状因素;对比不同形状空心圆柱体同相应板的导波频散特性,找出其中的关系;其结果是：在低频段,利用第2个周向导波模态作为薄壁空心圆柱体纵向缺陷无损检测较适合。     

V(f,z)分析方法在小尺寸材料弹性常数测量中的应用

针对小尺寸材料弹性常数的测量,提出了一种频域处理方法——V(f,z)分析方法.V(f,z)分析方法基于声学显微镜技术,使用线聚焦聚偏二氟乙烯(PVDF)探头,测定材料的表面波波速,计算材料的弹性常数.采用该分析方法对块体不锈钢试件的弹性常数进行了测量,测量结果与理论值相吻合.误差分析结果表明,V(f,z)分析方法具有较高的测量精度,泊松比和杨氏模量的测量误差均小于5%,能满足工程和科学研究的要求.此外,V(f,z)分析方法可测得不同频率的频散曲线,不仅适用于块体材料,而且适用于薄板、涂层等具有频散特性的材料,这为进一步测量薄板材料和涂层材料的弹性常数奠定了分析基础.     

基于分向半解析有限元法的纵向模态波动特性

结合解析法和半解析有限元法对具有直线边界的截面杆中超声导波的主要模态进行分析,求解出模态的速度曲线并进行频散特性研究.通过分析对比,得出:分向半解析法能精确求解纵向模态的频散曲线;纵向模态的传播特性主要受到截面直线边界的影响,截面对称性降低会引发纵向模态出现速度骤减的现象.最后,搭建实验装置,对具体结构进行实验验证,进一步验证了计算方法的准确性和结论的正确性.     

基于横波直探头的管道缺陷周向导波检测技术

围绕厚壁管道的检测问题,基于横波直探头激励周向导波检测管道典型缺陷,通过改变横波直探头的布置方向激励出不同的周向导波模态,克服了柱面纵向导波对于轴向缺陷不敏感的问题,有效提升了检测效率.将横波直探头沿管道轴向方向进行移动,可实现管道周向的扫描检测,表明横波直探头用于检测管道缺陷时指向性良好,为管道轴向缺陷无损检测提供了方法.     

基于AFAM纳米多孔氧化硅薄膜超声幅值成像的试验研究

为研究原子力声学显微镜(atomic force acoustic microscopy,AFAM)技术检测纳米多孔氧化硅薄膜的超声幅值成像的影响因素,通过基于AFAM技术的谐振频率检测及超声幅值成像系统,试验得到了纳米氧化硅薄膜和纳米多孔氧化硅薄膜的前2阶接触谐振频率及其超声幅值成像,分析试验过程中的参数如激励频率、扫描频率对稳定性的影响及超声激励对纳米摩擦力的影响.试验结果显示,超声频率会影响超声幅值成像的对比度,超声激励降低了扫描过程中的摩擦力.     

基于有限元法的一维球链中高非线性孤立波传播特性

为发展一种基于高非线性孤立波技术的无损检测新方法,仿真研究了一维球链中高非线性孤立波的传播特性.高非线性孤立波是一种可在高非线性系统中形成和传播的机械波,例如一维球形颗粒链等.利用Abaqus仿真平台,建立了含21个球形颗粒的一维颗粒链模型.研究网格划分对于有限元计算结果的影响,选取最优网格划分等级;采用接触对算法,仿真分析了孤立波的形成、传播过程.提取不同颗粒接触区域的力-时间变化曲线,计算得出撞击速度为0.313 m/s情况下的孤立波波速为562 m/s,与相同条件下的理论波速相对误差为3.3%;当孤立波从一维球形颗粒链传到待测圆柱表面时将发生反射行为,并形成反射孤立波.利用有限元法分析反射孤立波信号特征参数与待测试样弹性常数间的关系,为基于非线性孤立波的无损检测技术提供指导.     

基于虚拟时间反转法的便携集成式超声导波检测系统软件开发

时间反转法是无损检测领域中十分常用的信号操作方法之一.该方法能够实现信号在缺陷位置处的自适应聚焦,使缺陷波包幅值增强,波形便于识别.以虚拟时间反转代替传统时间反转,在实现传统时间反转功能的前提下,减少检测系统中仪器的使用并降低其操作难度.以LabVIEW为平台编写软件,采用事件驱动的状态机来架构软件,外接硬件设备搭建的基于虚拟时间反转法的便携集成式超声导波检测平台,能够实现软件对于仪器的精确控制,实现信号的激励和接收、时间反转运算、信号重构以及DI值计算.在3 mm厚的铝板上进行了基于时间反转法的缺陷检测实验,验证了本软件的可行性.     

微带贴片天线应变传感器优化设计研究

承载部件作为高端装备中最常见的结构单元,在役过程中受载荷和应力集中影响极易萌生裂纹,导致结构失效,实时监测结构关键部件的应变状态对保障结构健康至关重要。基于微波无损检测技术,揭示了矩形微带贴片天线的辐射元尺寸对其固有谐振频率的影响规律,探究了微带贴片天线谐振频率与应变的相互作用机理。矩形微带贴片天线可激发单频和双频谐振频率,改变矩形辐射元的长度或宽度,其谐振频率会发生频移。实验结果表明,当对金属接地板施加一定拉应力时,贴片天线几何尺寸会发生改变,其谐振频率也随之发生偏移,据此可推算出金属接地板的应变大小,这对关键承载部件的应变和裂纹实时监测具有重要的研究意义。     

基于PZT的新型柔性梳状表面波传感器研究

针对厚壁管道表面缺陷检测,研究了一种基于PZT的柔性梳状表面波传感器。首先,采用有限元仿真的方法对钢板和厚壁管道上等间距梳状表面波传感器的阵元间距、阵元宽度、阵元个数、阵元长度进行了优化,以及阵元个数和阵元长度对传感器指向性的影响进行了研究,并通过优化选取背衬材料、设计背衬厚度,改善了表面波信号的拖尾现象;其次,根据仿真结果研制了新型柔性梳状表面波传感器,并进行了性能测试实验,实验结果与仿真结果吻合较好。通过仿真优化,得到当传感器阵元间距为λ_R(λ_R为相应表面波波长),阵元宽度为λ_R/2,阵元个数为5时,传感器表面波信号拖尾较小,能量较为集中。实验表明,根据仿真参数研制的梳状表面波传感器具有良好的指向性,并且能够实现厚壁管道表面缺陷的检测。