基于神经网络的超声导波钢杆缺陷识别

利用基于BP神经网络的缺陷识别算法,从不同实验条件下获得的信号样本中抽取特征量,对钢杆中不同深度和位置的径向裂纹进行了识别。首先,采用频率为235kHz激励轴对称纵向模态导波对钢杆中的径向裂纹进行了检测。实验表明,在235kHz时获得的超声导波信号含较单一的L(0,2)模态,避免了用L(0,1)模态检测小尺寸缺陷时检测能力较弱的问题,又减少了用轴对称纵向高阶模态检测缺陷时模态较多不易分辨缺陷回波的现象。其次,利用算法对钢杆中的径向裂纹进行识别。结果表明,在已有实验样本数下,缺陷识别算法从整体上很好地识别不同深度和位置的裂纹,识别正确率稳定在87%。     

带形介质内SH型导波对圆柱孔洞的动力分析

弹性板壳的反平面运动中由缺陷引起的应力集中问题可以按照带形介质中圆柱孔洞对SH型导波的散射问题来分析。首先,构造带形介质中相容导波的形式,即其满足上、下边界应力自由条件。之后,由波函数展开法给出圆柱孔洞散射波的级数表示,根据累次镜像叠加的方法构造由上、下边界反射所形成的相容的散射导波。最后,给定入射导波,由圆柱孔洞边界应力自由的条件来定解波函数级数的系数。数值算例求解了特定导波对圆柱孔洞的散射,给出了圆柱孔洞边沿的动应力分布,讨论了导波阶数、频率以及孔洞位置的影响。     

混凝土分层缺陷的超声检测方法研究

为解决混凝土结构中分层缺陷的在线非接触检测难题,论文提出了利用空气耦合(简称:空耦)超声导波定量检测混凝土结构中分层缺陷的新方法。首先研究了空耦超声导波在混凝土结构中的传播特性,理论分析和实验表明,利用空耦超声波以入射角8.7°入射厚度为50 mm的混凝土板时,可以激发以A0模态为主的导波。然后构建了空耦超声导波扫查实验系统,在混凝土结构单侧利用一对倾斜8.7°的空耦探头激励和接收导波信号,通过分析发现A0模态对分层缺陷敏感,且其幅度与扫查路径中的分层缺陷尺寸存在单调变化关系;在此基础上,对检测区域进行扫查,利用不同位置处的导波信号幅度实现分层缺陷的二维成像。实验结果表明,该方法不仅可以避免耦合剂对检测结果的影响,同时可实现对服役状态下混凝土结构中分层位置及尺寸的定量检测。     

基于相轨迹的多裂纹管道超声导波检测研究

在超声导波多裂纹管道损伤检测中,缺陷回波信号幅值较小且波形复杂,不利于损伤的识别。基于混沌系统的初值敏感性及较强的噪声免疫特性,通过数值模拟和实验研究,验证了杜芬混沌系统的相轨迹识别多裂纹管道超声导波信号的有效性。给出了混沌系统相轨迹识别导波信号的原理,并结合超声导波检测,确定基于相轨迹识别的系统检测参数。利用ANSYS有限元软件和搭建的超声导波实验平台分别进行数值模拟和实验,获得超声导波在含有不同损伤大小的6m长的双裂纹管道中传播的数值模拟信号和实验信号,并在数值模拟信号中添加一定的高斯白噪声,用以分析噪声对混沌系统的影响。利用选取的杜芬混沌系统检测数值模拟信号与实验信号并进行对比验证,最后根据二分法确定缺陷位置。检测的相轨迹结果表明,该杜芬系统能够有效地免疫噪声并识别管道中的双裂纹小缺陷,并且提高了超声导波检测的灵敏度。     

弯曲导波模态分离与频散补偿研究

为减少超声导波多模态和频散特性对管道缺陷检测应用时的不利影响,研究弯曲导波模态分离和导波频散补偿的方法。首先将导波信号进行时频分析,并与理论计算的时频曲线进行对比,确定信号中的各个模态,然后将各个模态信号进行频散补偿处理,最后将频散补偿后的信号相加,得到最后的结果。管道缺陷检测实验表明,由多模态和频散特性产生的多个波包可由STFT方法识别出每个波包所属的模态,经频散补偿后多个波包可对应在同一缺陷位置。实验证明导波信号经模态识别、分离和频散补偿后更利于缺陷的识别和定位,同时该方法也为弯曲导波的应用提供理论基础。     

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。     

基于Lorenz系统Lyapunov指数的管道超声导波检测

为了提高长距离管道超声导波检测中弱导波信号的识别精度,提出了基于Lorenz系统Lyapunov指数的管道超声导波检测方法。基于非共振周期信号的参数激励实现Lorenz系统的混沌控制,将待测的导波信号作为参数激励的扰动项输入Lorenz检测系统中,通过对比有无导波信号输入后Lorenz系统最大Lyapunov指数的不同响应,确定适合导波信号检测的参数激励幅值;然后利用ANSYS软件和搭建的超声导波试验平台分别进行数值模拟和实验,获得超声导波在含有不同损伤个数、大小的6 m长管道中传播的数值模拟信号和试验信号,利用Lorenz检测系统识别数值模拟与实验信号;基于二分法对导波信号进行分段识别,通过定位出回波信号的时间段实现损伤定位。检测结果表明,Lorenz系统能够有效地免疫噪声并识别管道的缺陷,并且提高了管道超声导波检测的灵敏度。     

基于L(0,2)模态的身管损伤无损检测方法研究

火炮特别是新型火炮在现代战争中发挥巨大作用,身管是火炮的重要组成部分,其缺陷检测至关重要。利用Comsol有限元仿真软件模拟导波模态并与理论计算结果进行对比,验证有限元仿真的正确性和可行性。在对比研究L模态导波和T模态导波的基础上,给出一种基于L(0,2)模态导波的身管缺陷无损检测方法,并利用有限元仿真软件对L(0,2)模态在存在内表面非对称缺陷的身管中的传播过程进行仿真。理论研究和仿真结果表明,该方法可以用来识别不同种导波模态并对缺陷进行检测,为今后身管缺陷检测奠定基础。     

基于Lyapunov指数的管道超声导波小缺陷定位实验研究

为了提高超声导波检测长距离管道中小缺陷的检测灵敏度,提出了基于杜芬方程最大Lyapunov指数的超声导波损伤定位方法。依据管道超声导波实测信号的采样频率、中心频率以及杜芬方程特性,设置检测系统参数,将待测信号作为杜芬方程外策动力扰动项输入杜芬方程中。通过比较杜芬系统在无信号输入和输入实测导波信号后,最大Lyapunov指数随策动力幅值F的变化,确定可用于识别导波信号的F值。利用移动窗函数给出了缺陷超声导波的波到时刻识别方法,从而给出了缺陷定位方法。实验研究表明,利用最大Lyapunov指数可有效提高超声导波的检测灵敏度。     

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。     

窄板中超声导波传播特性试验研究

针对工程中窄板结构安全评价问题,该文对窄条板结构中超声导波传播特性进行了试验研究。首先,对无限大板结构中不同模态超声导波的传播特性进行了理论分析。然后,在不同宽度窄铝板上进行了不同模态超声导波对比试验研究。结果表明,与兰姆波相比,低阶水平剪切波(SH0波)受窄板宽度方向边界的影响小。当窄板宽度大于电磁声换能器宽度情况下,SH0波检测结果不受板宽度变化影响。在此基础上,将SH0波应用于电力系统接地网扁钢检测。结果表明,SH0波在扁钢中传播能力强,可用于现地埋扁钢无损检测。该文研究工作为工程窄板结构健康检测提供可行的技术方案。     

Boundary element analysis of guided waves in a bar with an arbitrary cross-section

A boundary element method (BEM) is presented for analyzing the dispersion relation of guided waves in a bar with an arbitrary cross-section. A boundary integral equation for a harmonic motion in time and space is derived with respect to the boundary of the cross-section of the bar. By means of a collocation method, a homogeneous matrix equation which depends on the frequency and the wave number of the guided wave is obtained. The dispersion relation of guided waves is then obtained by finding nontrivial solutions of the matrix equation. The Newton's method is used to find the solution of the dispersion relation mode by mode for both propagating waves and nonpropagating waves. Numerical results are shown for a square bar, rectangular bars, and an L-shaped bar. Dispersive properties of guided waves in the bars are discussed in comparison with the results for Lamb modes in a 2D plate.     

钢花管中低频纵向超声导波传播特性的试验研究

钢花管是管棚支护结构中的核心承力构件。将超声导波技术应用于钢花管的无损检测显得十分重要。首先优化选取了适用于钢花管检测的压电陶瓷片尺寸以及激励频率为30kHz的L(0,2)模态。为研究钢花管管体上的孔对低频纵向超声导波检测能力的影响,试验研究了钢花管孔数与检测信号特征之间的变化关系。结果表明:钢花管孔数的增加对频率为30kHz的L(0,2)模态回波信号幅值几乎没有影响,表明低频纵向超声导波具有对长距离钢花管无损检测的潜力;而频率为30kHz的L(0,2)模态的群速度随钢花管管体中孔的增加呈线性下降的趋势。该研究结果为基于低频超声导波技术的钢花管无损检测奠定了一定的基础。     

弹性材料受杆形射弹冲击的实验研究

采用实验方法,研究了长杆形钢射弹冲击钢、铝和尼龙6弹性材料时,射弹中应力随时间的变化规律。分析了冲击初速度、被冲击物材料特性对射弹中应力变化的影响。实验结果表明:弹性范围内,冲击初速度不改变射弹中应力变化规律,仅改变其幅值,应力波形中包含了被冲击物材料特性信息和几何信息。     

基于SAFE的层状结构导波传播特性研究

针对传统SAFE算法在计算层状结构导波频散特性的缺点,提出了一种融合了Lamb波和SH波的力学特性的SAFE方法。该方法在SAFE基本原理基础上,结合Lamb波和SH波的力学表达式的特殊性,分别建立了Lamb波和SH波的SAFE模型。和先前的SAFE模型相比,实现了Lamb波和SH波的区分,降低了矩阵的阶次,提高了计算效率。利用建立的SAFE模型,计算了45#钢板各模态Lamb波和SH波的截止频率并和解析方法的结果进行对比,检验了SAFE模型的计算精度。分析了铝钛钢复合板和粘接铝复合板中Lamb波和SH波传播的算例,算例的计算结果对于研究层状结构中Lamb波和SH波的传播有借鉴意义。     

高阶纵向超声导波在钢绞线缺陷检测中的应用研究

为了实现对钢绞线的主动健康监测,采用安装在结构外表面上的磁致伸缩传感器激励和接收高阶纵向超声导波,优化各种参数以用于缺陷的识别和评估.实验选取经Hanning窗调制的正弦脉冲信号在7芯钢绞线中激励中心频率0.86MHz的高阶纵向超声导波L(0,2)模态,用于在两根钢绞线外围钢丝和中心钢丝中人工缺陷的检测.实验分析了L(...     

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%。     

非轴对称多元载荷条件下管道中纵向模态导波激励

轴对称载荷是管道中轴对称模态导波激励的有效方法。然而,受换能器安装误差等因素的影响,激励载荷多会变为非轴对称载荷,进而使激励出的导波模态变得复杂。对非轴对称多元载荷条件下纵向模态导波的激励问题进行了深入研究。考虑两种典型的非轴对称载荷,采用简正模态展开技术,建立了导波激励声场与边界载荷的量化关系,进而分析了各模态导波的产生机理及载荷阵列对纵向导波激励的影响。采用有限元数值模拟验证了理论预测结果。考虑实际管道检测中出现的非轴对称载荷,提出了一种载荷补偿策略并进行了实验验证。结果表明,该方法能够有效抑制弯曲模态导波的产生,同时也有助于改善导波信号的噪声水平。