Q235钢材腐蚀疲劳损伤的非线性Rayleigh表面波评价方法研究

本文研究了Q235A钢腐蚀疲劳的评价方法。在腐蚀和循环载荷共同作用下,试样表面退化,并导致Rayleigh波沿试样表面传播过程中产生二次谐波,这种现象可以用于腐蚀疲劳损伤的早期评价。以楔形换能器为基础,搭建了Rayleigh波信号的发射和接收实验平台,测量了相对非线性参数的变化趋势。在10%NaCl溶液和20 Hz循环载荷的共同作用下进行腐蚀腐蚀试验,制备腐蚀疲劳试样,每10~5次疲劳周期测量一次相对非线性参数,直至疲劳周期数为7×10~5次。然后绘制试样腐蚀疲劳试验中表面退化产生的相对非线性参数与疲劳载荷循环的测量曲线,该曲线显示出初始稳定,之后迅速增加的变化趋势。实验结果表明,腐蚀疲劳会导致Q235A钢试样的突然破坏,非线性Rayleigh表面波测量技术可用于定量表征Q235A钢的疲劳寿命。     

激光超声检测圆柱体表面裂纹的数值研究

激光激发的超声波在圆柱体表面的传播表现出较平板表面更为复杂的特性,为了研究激光超声在圆柱体上沿轴向的传播规律及表面波声场和圆柱表面裂纹相互作用过程,分别建立了带有不同圆柱半径和带有不同裂纹深度的圆柱体模型,数值模拟了激光超声在圆柱体中传播过程及与表面裂纹的相互作用过程,分析了激光激发的Rayleigh波在圆柱体中的轴向传播过程和与裂纹的作用过程,得到了圆柱半径和缺陷深度对表面波传播的影响关系。数值结果表明:随着圆柱半径的增大,Rayleigh波色散程度减弱,Rayleigh波群速度逐渐减小;剪切Rayleigh波与反射Rayleigh波到达时间差与裂纹深度成线性关系。数值结果为圆柱体表面裂纹的激光超声检测提供了有价值的参考。     

液压缸低速爬行原因新探

通过理论分析和试验验证研究了液压缸运动的非线性动态特征。提出了弹簧的非线性表现可以用有阻尼的Duffing方程来描述，摩擦力的非线性表现随工作点在Streibeck曲线上所处的区段不同可以由瑞利方程（Rayleigh equation）或范德波尔方程（Van Der Polequation）来描述。提出了液压缸低速爬行原因分固有原因和运行原因，都与其非线性动力学特征紧密相关。     

宽波段金属光栅设计中闪耀波长对光栅异常的补偿效应

给出适用性强、工艺上易于实现的单闪耀面宽波段金属光栅设计新方法。基于Rayleigh异常和共振异常两种不同的光栅异常机理,分别讨论了它们出现的条件,在光栅电磁场理论的基础上,数值分析了TE波、TM波闪耀波长的分布规律,发现了闪耀波长与光栅异常、光栅光谱范围的关系,提出了用TM波第一闪耀波长补偿Rayleigh异常或共振异常实现制作宽波段金属光栅的设计思想。同时,指出了TM波第一闪耀波长对Rayleigh异常的补偿效应,只是它对共振异常的补偿效应的极限情况。给出了将补偿效应应用于紫外可见分光光度计、近红外分光光度计和红外分光光度计用不同刻线密度宽波段金属光栅的设计实例。补偿效应法无论在理论设计上还是在工艺实现上都要优于传统的宽波段金属光栅设计方法,它可以使得用于各个波段上的宽波段金属光栅衍射效率都在40%以上。     

高压水射流清砂过程模拟及机理研究

采用非线性动力有限元法和动态损伤模型对高压水射流清砂过程及机理进行了模拟研究。结果表明,高压水射流具有很强的清砂能力,型砂的破坏是射流冲击所产生的应力波与准静态压力共同作用的结果,其中以应力波的作用为主。经与现场实验结果进行对比验证,模拟仿真的结果与实验规律一致,表明此方法分析水射流清砂过程和机理是可行的,所得结论可作为高压水射流对精密铸件清砂工艺及相关设备的设计和优化的依据。     

五坐标加工中非线性误差校核及超差处理方法的研究

分析了非线性误差的产生机理,详细论述了非线性误差的有效估算方法;依据此方法给出了非线性误差的超差处理手段和流程图。通过编制程序,仿真验证了所述方法的正确性,从而为后置处理中超差处理提供了可靠依据。     

鼓形螺旋弹簧的自振频率

采用Rayleigh能量方法，经过积分求得鼓形弹簧的自振频率，并用等直径弹簧验证计算公式。     

混合蛙跳脊波神经网络观测器电机故障诊断研究

针对牵引电机非线性、强耦合、时变的特点,提出一种基于混合蛙跳算法脊波神经网络观测器牵引电机故障诊断方法.该方法利用观测器生成残差,并通过对残差的分析实现故障检测与分离.首先将牵引电机模型分为线性函数部分和非线性函数部分,并利用脊波神经网络逼近这个非线性函数,然后在此基础上建立自适应观测器,并通过最优算法求出观测器反馈增益矩阵.为提高神经网络的收敛速度和逼近精度,利用混合蛙跳优化算法对神经网络参数进行优化.通过实验对混合蛙跳算法脊波神经网络观测器、RBF神经网络观测器以及BP神经网络观测器进行比较,结果表明,该方法的收敛速度较BP神经网络观测器提高了80.3％,故障诊断准确率提高41.5％.     

基于Duffing van-der-pol系统几何特征的材料非线性特征量化

传统微弱信号检测方法在处理非线性Lamb波信号时存在精度不高且抗噪性能有限的问题,Duffing vander-pol系统作为非线性动力学系统十分适合检测由材料非线性特征引起的非线性Lamb波微弱变化。系统的几何特征——平均周期面积作为特征参数能对材料非线性导致的微弱二次谐波成分进行增强,进而表征材料非线性特征。采用系统分岔图确定Duffing van-der-pol系统的策动力参数,根据系统相轨迹确定系统状态并验证二次谐波的存在性。通过建立系统几何特征参数与二次谐波幅值的拟合线性关系,二次谐波幅值可以被精确量化,从而实现定量分析材料线性特征。通过实验对比传统的小波变换、卡尔曼滤波等降噪方法,在较强的噪声干扰下,基于Duffing van-der-pol系统几何特征的方法对二次谐波的量化依然可以保持较高精度,具有潜在的应用价值。     

变张力轴向运动Rayleigh梁组合参激共振的稳态响应

研究非线性轴向变速黏弹性Rayleigh梁的参激振动问题。梁的本构关系使用Kelvin黏弹性模型描述,并且取全导数。基于广义哈密顿原理,导出轴向运动Rayleigh梁的非线性控制方程。考虑轴向速度在平均速度的基础上有简谐变化。运用直接多尺度法近似求解控制方程,并考虑轴向速度变化频率接近任意两阶固有频率之和时而发生的组合参激共振。依据可解性条件,得到振幅频率方程。通过对数值例子的分析,得到梁的刚度、扭转刚度以及平均速度对稳态响应的影响。     

SiCp颗粒增强铝基复合材料非共线非线性响应试验观察

采用粉末冶金方法制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)受加工过程工艺影响较易出现SiCp颗粒分布不均等缺陷。传统的金相法及声速扫描法检测该缺陷存在破坏试样及定位困难且灵敏度不高等问题;基于谐波的穿透式共线非线性无损检测方法检测灵敏度高,但易受到其他非线性试验来源的干扰。为解决这一问题,利用基于波束混叠的非共线非线性超声检测方法,观察SiCp/Al的非共线非线性响应,探讨使用该方法检测粉末铝基复合材料非均匀性缺陷的可行性;建立非共线非线性超声检测试验系统,发现LY12铝合金及SiCp/Al试样内部的波型转换与波束混叠现象;利用非共线技术的空间可达、波型转换及频率方向可控等性质,成功剔除了非线性的试验来源,从试验上证明该方法能够观测试样内部的非线性,具备检测SiCp/Al试样均匀性的潜力。试验方法与结果为进一步研究非共线混叠波与粉末铝基复合材料均匀性的相关关系及扫查方法奠定基础。     

Study on the scattering of 2-D Rayleigh waves by a cavity based on BEM simulation

A frequency domain boundary element method is introduced in this paper to simulate the scattering of two-dimensional Rayleigh waves by a cavity on the surface of an elastic half-space. This numerical method allows the Rayleigh wave to escape the truncated boundary without producing any spurious reflections. The numerical results of the displacements and stresses of a 2-D Rayleigh wave which travels along a flat surface of an elastic half-infinite medium are in good agreement when compared with theoretical ones. The problem of a Rayleigh wave scattering by a cavity on the surface of an elastic half-infinite medium is simulated by the proposed numerical method. The result is taken as the benchmark to introduce an approximate analytical method for such problems of scattering by a cavity on the surface. This numerical method is formulated for a two-dimensional homogeneous, isotropic, linearly elastic half-space and its implementation in a frequency domain boundary scheme is discussed in detail.     

正交光栅信号的脉宽调制细分技术

介绍了将正交光栅信号合成近似三角波，再对合成信号进行脉宽调制的细分技术。该方法的细分精度主要决定于原始正交光栅信号的稳定性，一个周期内的非线性误差可由软件修正，整个测量过程的系统误差也可由软件补偿。     

微观组织及残余应力对瑞利波评价激光熔覆层应力的影响

采用瑞利波评价激光熔覆层表面应力,结合静载拉伸试验,建立Fe314激光熔覆层中瑞利波的声弹关系曲线;通过对声弹关系曲线拟合实现对激光熔覆材料声弹系数的标定,在此基础上建立声弹公式;通过试验验证声弹公式评价激光熔覆层表面应力的可行性。分析激光熔覆层微观组织及残余应力对应力评价结果的影响,试验结果表明,这两种因素会显著影响熔覆层表面应力评价结果,采用声弹公式计算出的初始应力校准之后,理论计算结果与实际加载值更为接近,并且误差保持在可接受的范围之内。此外,由于静载拉伸过程中各向异性激光熔覆层变形不均匀,瑞利波检测应力试验中高应力阶段的误差明显大于低应力阶段误差。     

基于Rayleigh表面波的无损测压方法

超声波在材料内部的传播速度与所受应力有关,由此提出了基于Rayleigh表面波的无损测压新方法,以中低压容器为研究对象,以应力为中间变量,建立了被测压力与由此引起的表面波速度差之间的关系模型,从实际测量的角度进一步推导出了表面波传播一定距离的时间变化量与被测压力变化之间的关系,并对测量中应变的影响给予了修正,实验数据证明了模型的正确性和采用表面波无损测压方法的可行性。     

反射法测量固体材料的非线性系数研究

基于准线性近似理论研究有限幅值波的反射基波和二次谐波声场特性,采用多元高斯声束将其表征为平面波解、衍射项和衰减项组合的形式,推导出超声反射法测量固体纵波非线性系数的计算模型。对经垂直入射自由界面的反射二次谐波进行模拟分析,结果显示,尽管入射二次谐波的反射波与新产生的二次谐波相位相反导致总的反射二次谐波减弱,但当试块厚度大于1/2倍瑞利距离时,探头接受到的反射二次谐波可用于固体材料纵波非线性系数的有效测量。设计并开展了6061铝的纵波非线性系数测量试验,结果表明当考虑反射、衍射修正和衰减补偿后,反射法测得的纵波非线性系数值与透射法的测量结果相近,但相比透射法,反射法具有试验要求低、限制条件少等优势,为固体材料纵波非线性系数测量的实际应用提供了一种有效方法。     

Numerical simulation of ultrasonic minimum reflection for residual stress evaluation in 2D case

A number of interesting phenomena at fluid-solid interfaces can be observed when the incident angle approaches the Rayleigh angle, including Schoch displacement and leaky Rayleigh waves. Besides the experimental and theoretical research on these problems, numerical tools have been more and more widely used for these complex problems. Based on previous experimental and numerical researches, a 2D finite element model has been built to reproduce the Schoch effects. With the same model, the minimum reflection profile is investigated for the feasibility of material characterization, especially for residual stress evaluation. Residual stress is one of the important properties for structures, and its measurement is a popular research topic in nondestructive evaluation. However, it is not possible to put the residual stress into the numerical model directly. According to the relation of residual stress with mechanical properties, the material damping and wave speed have been alternatively adopted in this work. The influence of minimum reflection profile by residual stress has been shown by the change of wave speed and damping factor. Simulation results show that the minimum reflection profile is a potential method for residual stress evaluation.     

材料早期损伤的非线性超声诊断

对于材料微结构特征的检测,特别是材料早期损伤,非线性超声具有独特的优势。立足于非线性超声的发展历程,阐述了非线性超声的基本理论和数学模型,深入分析了非线性超声参量的影响因素,包括位错单极子模型、位错偶极子模型、析出物和微裂纹;阐述了非线性超声的实验方法,重点介绍了非线性超声纵波和表面波的检测方法;论述了非线性超声在闭合裂纹、疲劳及位错早期损伤、材料热老化、蠕变及材料辐射损伤等领域中的应用;最后总结了非线性超声检测技术在材料早期损伤应用中面临的机遇和挑战。     

金属材料力学性能退化非线性超声检测实验系统优化

材料早期力学性能退化总是伴随着某种形式的材料非线性力学行为,从而引起超声波传播的非线性,即高频谐波的产生.查超声非线性系数非常小,易被测量系统的非线性干扰淹没.通过实验仪器的选择和夹具的设计,改进了一套非线性超声测试实验系统.在相同条件下测得同一试件在不同输入电压下的二次谐波幅值和基波幅值平方近似线性关系,表明实验系统是可靠的.利用该系统进行了一组LY12铝合金拉伸试件非线性超声检测实验.在塑性阶段,随着拉伸应力的增大超声非线性系数显著增加.实验结果表明,超声非线性系数可以表征金属材料的力学性能退化程度.     

Attenuation modelling of bulk waves generated by a point source in an isotropic medium

Attenuation of a bulk wave, generated by a point source, propagating in an isotropic medium, is due to the geometry and nature of the material involved. In numerical simulations, if the complete domain of propagation is modeled, then it captures the attenuation of a wave caused due to its geometry. To model the attenuation of the wave caused due to the nature of the material, it is required to know the material’s attenuation coefficient. Since experimental measurement on attenuation of a wave involves both the effects of geometry and material, a method based on curve fitting to estimate the material’s attenuation coefficient from effective attenuation coefficient, is proposed. Using the material’s attenuation coefficient in the framework of Rayleigh damping model, numerical modeling on attenuation of both the bulk waves - longitudinal and shear excited by a point source was carried out. It was shown that the proposed method captures the attenuation of bulk waves caused on account of geometry as well as nature of the material.