超声导波在管道中传播的数值模拟

为了研究超声导波在管道中的传播特性并从中选择适合于无损检测的导波模态,在弹性动力学理论基础上,分析了超声导波在管道中传播时存在多模态与频散特性;通过编程数值计算了超声导波在管中传播时的频散曲线和各模态沿管壁的位移分布;利用数值计算结果以及Fourier分解法,模拟了导波在管道中的传播现象,获得各个模态在传播一定距离后的时域波形.结果表明,在特定频率下,L(0,2)模态导波频散现象较小、传播速度最快,是管道缺陷无损检测的理想模态.数值模拟结果与理论分析相吻合,并且证明此种Fourier分解法可以有效地模拟管道中超声导波的传播特性.     

弯管缺陷超声导波检测的有限元分析

为了利用有限元方法对弯管缺陷进行超声导波检测,阐述了建模、加载及后处理在有限元方法中的具体实现过程,并且对导波在带单缺陷及双缺陷的90°弯管中的传播分别进行了数值计算．计算结果与实验结果基本吻合,表明利用有限元方法可以对弯管缺陷导波检测进行有效的数值模拟．     

超声导波管道缺陷检测数值模拟

介绍了超声导波检测技术的研究意义、发展现状、导波检测的基本原理和激励频率的确定。应用ANSYS有限元分析程序建立管道模型,删除模型中部部分单元模拟切槽缺陷,施加端部激励载荷产生L（0,2）和T（0,1）模态导波,模拟超声导波的传播及遇到缺陷的反射回波情况,通过对接收信号的分析,较为准确地定位了缺陷位置。     

模态耦合对弯管导波传播特性的影响分析

弯管导波频散曲线呈现出特殊的模态耦合现象。在模态耦合区域,导波群速度频散曲线发生突变,一个模态分裂为两个模态。而模态耦合现象对弯管导波传播的影响还不清楚。作者就这一问题开展研究。首先,基于半解析有限元法计算弯管导波频散曲线,确定了导波的模态耦合区域。其次,采用有限元模拟方法,考察激励频率位于模态耦合区域的导波通过弯管时的变化情况。最后,采用频谱分析和频散补偿算法分析了模态耦合对弯管导波传播特性的影响。研究表明,模态耦合并不会因为频谱的缺失而导致导波反射信号增大;模态耦合对弯管导波传播的主要影响是极大地增强了导波信号的频散。     

管道超声导波检测中信号选取的实验研究

为了研究信号选取对缺陷检测的影响,激励4个不同周期数但中心频率均为120kHz的单音频信号,对长7．12m的管道中的单缺陷进行了检测．检测结果表明,20个周期的单音频信号适合检测该管道中的缺陷．当单音频信号周期数较小时,激励的L(0,2)模态波形较窄,频带较宽,信噪比较低,并且当该模态遇到缺陷后,反射的一些转换模态(如弯曲模态)频散严重,不利于模态识别和缺陷检测．当周期数逐渐增加至一定数基时,L(0,2)模态频带变窄,频散程度变小,信噪比更高,有利于管道的缺陷检测．周期数过多,尽管模态控制较好,但各缺陷回波波形持续时间较长,彼此之间容易相互叠加,反而影响缺陷定位和识别．     

自由锚杆纵向超声导波特性理论计算与试验研究

基于超声导波技术的锚杆无损检测对保障工程安全具有重要意义。利用解析勒让德多项式方法研究自由锚杆纵向超声导波传播和衰减特性,该方法克服了传统勒让德多项式方法因含有大量数值积分计算致使求解时间长的问题,计算效率得到极大提高。计算钢杆的纵向导波群速度和衰减,与已有文献结果比较,证明此方法的正确性;与传统多项式方法对比,揭示此方法的高效性。通过试验研究自由锚杆导波传播特性,测得导波群速度值,与理论结果进行比较。结果表明：自由锚杆L(0,3)-L(0,10)模态下的衰减最小值和群速度最大值均随模态阶数增大而增大,且衰减最小值与群速度最大值在同一频率处。导波衰减值与回波振幅之间存在对应关系,衰减值越小,端面回波幅值越大。     

基于时间反转的管道导波小缺陷检测数值分析

为克服现有导波检测技术对管道小缺陷检测的不足,给出了一种基于时间反转理论的管道缺陷超声导波无损检测方法.通过对含有裂纹及孔型小缺陷的管道进行数值模拟,进一步说明了在管道导波检测时,时间反转的方法可以实现超声导波在时间-空间上的聚焦,令由于缺陷而产生的多个转换模态同时到达缺陷位置,使原本分散在各导波模态的检测能量汇聚于缺陷处,增强检测能量,提高对小缺陷的检出能力.     

扭转模态导波检测管道纵向缺陷的数值模拟

为了评价超声扭转模态导波对管道纵向缺陷的检测能力,采用有限元方法进行了数值模拟研究.建立了带有纵向缺陷的管道有限元模型,激励和接收了扭转模态的T(0,1)导波,获得了缺陷长度与反射系数之间的关系曲线和回波信号在管道圆周方向的分布规律,并提出了采用T(0,1)模态导波检测时,对纵向缺陷进行周向和纵向定位的方法.结果表明,32.6 kHz的T(0,1)模态导波对管道上的纵向缺陷比较敏感,在缺陷所对应的圆周位置上,导波的回波幅度最大,而且,纵向缺陷对T(0,1)模态导波的反射系数呈单调增大、然后减小的趋势.     

钢绞线中纵向模态传播特性的实验研究

为了对钢绞线进行缺陷检测和应力测量,研究了超声导波纵向模态在钢绞线中的传播特性.首先对钢绞线不同钢丝中纵向模态的频散和多模态等特性进行了理论分析.然后在理论指导下,在长15 m且标称直径17.80 mm的7芯钢铰线、单根外围钢丝和中心钢丝中,分别进行了纵向模态的激励接收实验.确定在自由钢绞线中纵向模态主要在外围钢丝中传播.在频段0～400kHz部分频率下,最低阶纵向模态L(0,1)在钢绞线、外围钢丝和中心钢丝中得到的传播速度与理论值较为吻合.     

基于导波的圆管横向裂纹检测的数值模拟与试验

研究圆管上的超声导波的裂纹几何尺寸与回波反射特征间的映射关系.首先,建立5组周向角度与径向深度的裂纹管道的有限元仿真模型,用脉冲-回波的方法模拟L(0,2)模态波对管道横向裂纹进行检测,提取其裂纹反射系数特征值;其次,搭建导波检测系统,加工3组周向裂纹的圆管试样,分别用单探头与4个探头进行裂纹检测试验.分析表明:试验与仿真分析得到缺陷尺寸对反射系数的影响趋势吻合;能够检测到1m以外的裂纹,轴向定位误差小于10%;裂纹回波的反射系数随着损伤程度的增大而增大.本研究为基于导波对管道横向裂纹的定位与识别提供了参考.     

Defects detection in typical positions of bend pipes using low-frequency ultrasonic guided wave

In order to analyze the possibility of detecting defects in bend pipe using low-frequency ultrasonic guided wave, the propagation of T(0,1) mode and L(0,2) mode through straight-curved-straight pipe sections was studied. FE(finite element) models of bend pipe without defects and those with defects were introduced to analyze energy distribution, mode transition and defect detection of ultrasonic guided wave. FE simulation results were validated by experiments of four different bend pipes with circumferential defects in different positions. It is shown that most energy of T(0,1) mode or L(0,2) mode focuses on extrados of bend but little passes through intrados of bend, and T(0,1) mode or L(0,2) mode is converted to other possible non-axisymmetric modes when propagating through the bend and the defect after bend respectively. Furthermore, L(0,2) mode is more sensitive to circumferential notch than T(0,1) mode. The results of this work are beneficial for practical testing of pipes.     

The effects of point defects on transmission coefficients in two-dimensional piezoelectric phononic crystals

Based on finite-difference time-domain(FDTD) method,the wave propagation and localization in two-dimensional defect-containing piezoelectric phononic crystals are investigated when the mechanical-electrical coupling is taken into account.The characteristics of localized defect modes are studied,and the effects of the number and direction of defects on the defect modes and transmission coefficients are discussed.Numerical results of defect modes and transmission coefficients are presented for BaTiO3/polymer piezocomposite,and from which we can see that the number and direction of defects have pronounced effects on the defect modes and transmission coefficients.The results also show the existence of elastic wave localization in piezoelectric phononic crystals containing defects.     

弯曲矩形隧道电磁波衰减特性

实际矿井隧道有许多弯曲段,为实现全矿井的无线移动通信,需要知道在弯曲隧道中电磁波的传播特性,针对简化了的弯曲矩形隧道模型,在柱坐标系直推导出了弯曲矩形隧道中的电磁波模方程,利用Airy函数与柱函数之间的近似关系式,采用抛物线法求解了波模方程,从而得到了在不同条件下的波模衰减系数,由分析可知弯曲隧道的曲率半径越小,即拐弯越急,电磁波衰减越严重;且频率越高,电磁波衰减越大。     

回折线圈导线长度对表面波EMAT性能及缺陷检测的影响

为了改善表面波电磁声传感器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)的激励及接收性能,并提高缺陷定量检测的准确性,试验研究了EMAT中回折线圈导线长度对传感器频率特性、所激励表面波声场指向性、衰减特性的影响.采用不同长度回折线圈对人工裂纹进行检测,得到了对应的反射和透射系数,分析了导线长度和裂纹长度相互关系对缺陷定量检测的影响.试验结果表明,表面波EMAT的频率特性与回折线圈导线长度无关,但其所激励表面波的声场指向性及衰减速率与导线长度密切相关,回折线圈导线长度越大,声束辐射半张角越小,表面波衰减越慢;作为接收传感器,回折线圈导线长度越大,EMAT检测时空间分辨率越低,但接收信号信噪比越高.导线长度小于裂纹长度时,才能得到准确的反射和透射系数.     

钢花管中低频扭转模态的衰减特性

结合有限元仿真与实验研究了钢花管的注浆孔数与孔直径对低频扭转模态T(0,1)衰减特性的影响.首先,理论分析了自由钢管中低频扭转模态的传播特性,然后将有限元仿真、实验得到的不同频率的T(0,1)模态群速度与理论频散曲线进行对比,验证了有限元仿真的正确性及厚度切变型传感器激励T(0,1)模态的有效性.在此基础上,确定了30 kHz为T(0,1)模态检测钢花管的最佳激励频率.仿真与实验研究结果表明:频率30 kHz的T(0,1)模态的信号幅值随注浆孔数的增多与孔直径的增大有不同程度的下降,为利用低频T(0,1)模态对钢花管进行无损检测奠定了基础.     

离心泵叶轮湿模态及其影响参数分析

采用数值模拟方法,验证了离心泵流道形状的合理性,分析了叶轮干、湿模态的变化规律及叶轮前后盖板曲率半径对叶轮各阶次固有频率的影响。相对干模态,湿模态下离心泵叶轮第1、2阶次固有频率降低24%,第3阶次和第4阶次固有频率分别降低34%和21%,各阶次振型保持一致但振动幅值有明显减小;叶轮前盖板曲率半径为12.3 mm和16.3 mm时,叶轮第1、2阶次固有频率减小而第3、4阶次固有频率增大,叶轮后盖板曲率半径为28 mm和38 mm时,叶轮前4阶次固有频率皆增大。为分析离心泵叶轮的振动特性及结构的优化设计提供了参考。