半解析有限元法求解钢轨中超声导波频散曲线

钢轨中超声导波的频散曲线是采用超声导波技术进行无缝线路钢轨完整性检测的重要参考依据.通过传统的有限元模态分析方法,无法求解得到钢轨中超声导波完整的频散曲线,针对这一问题,采用了半解析有限元方法.求解时假设导波在钢轨中以简谐振动的方式传播,仅对钢轨的横截面采用三角形单元进行有限元网格划分,经理论推导得到超声导波在钢轨中传播的波动方程,通过求解特征方程,得到波数与频率的值,进而获取频率与相速度、群速度的关系,绘制出频散曲线.通过求解得到的特征向量还可以分析各导波模态的振动特性.实验结果表明,半解析有限元法求解得到的我国无缝线路CHN60钢轨的频散曲线与实际线路测试结果有很好的一致性.     

利用Lamb波检测垢层厚度的数值分析

针对锅炉垢层厚度检测的问题,提出一种通过Lamb波的频散特性检测垢层厚度的方法。首先,建立Lamb波在铝板-垢层双层弹性结构中的波动模型,利用半解析有限元法求解Lamb波的特征方程,绘制Lamb波的频散曲线。其次,建立铝板-垢层二维电磁超声仿真模型,通过电磁超声换能器在铝板中激发S0模态的Lamb波,得到不同采集点下的波形曲线。最后,通过对频散曲线和波形曲线的分析得知,随着垢层厚度的增加,低频S0模态Lamb波群速度变慢,高频S0模态Lamb波群速度变快,信号波群的幅值减小。结果表明,可利用S0模态Lamb波群速度变化及幅值变化进行锅炉垢层厚度检测。     

点焊试件中兰姆波传播的有限元模拟及其应用

提出兰姆波评价汽车钢板点焊质量的理论依据及试验方法,评价对象包括点焊焊核的直径及最大拉伸载荷.兰姆波中的多模态频散特性及在复杂结构中的模式转换导致超声检测信号难于区分,通过解析方法难以获得兰姆波在点焊试样中的传播规律,因此采用有限元法模拟兰姆波在点焊试样中的传播.有限元法的模拟结果显示:经焊核传播的A0模态兰姆波特征峰值随焊核直径的增大而减小、随凹痕深度的增大而增大.因此,A0模态兰姆波的特征幅值可望用于评价焊核的形状及力学性能.试验通过调整斜探头入射角度激励A0模态兰姆波对高强度镀锌钢板的点焊试件进行检测试验,结果显示:A0模态兰姆波特征峰值随焊核直径及焊核最大拉伸载荷的增大而减小,该规律与有限元模拟的结果一致,可以用于实际结构点焊质量的无损评价.     

非浸入式超声导波液位测量方法研究

从Navier运动方程出发,求解了自由平板和覆水平板中导波的特征方程,并绘制了其频散曲线。自由平板和覆水平板频散特性对比分析后,发现了覆水平板中导波模态较自由平板多了一种Quasi-Scholte模态导波。通过数值计算、有限元模拟和实验研究,分别对自由平板和覆水平板中导波的传播特性和模态进行验证。在低频区,A_0模态导波存在于自由平板中,而Quasi-Scholte模态导波只存在于覆水平板中。利用Quasi-Scholte模态和A_0模态导波的传播特性设计液位测量实验,采用一激一收压电传感器布置方式,频率130 k Hz的2.5周期汉宁窗调制正弦波作为检测信号,结果表明,液位与导波传播时间呈线性关系,能够用于容器内液位测量。     

基于Lamb波频散特性的垢层厚度的检测方法

对于工业用锅炉附着污垢厚度的检测问题,提出一种基于Lamb波在双层介质中传播的频散特点对污垢厚度检测的方法。首先建立Lamb波的波动模型以及"铝板—污垢层"模型,利用数学手段求解Lamb波在双层介质中传播的特征方程,从而得出Lamb波传播的频散规律曲线,接着激发Lamb波A0模态下的超声波,并采集其传播特性,基于上述条件,最后利用电磁超声换能器激发A0状态下的超声波对垢层厚度进行检测。通过理论分析及对仿真结果观察发现,低频时,A0模态的群速度随着垢层厚度的增长而减小,高频时,A0模态的群速度随着垢层厚度的增长而增加,最后通过实验结果表明,可利用A0模态Lamb波频散特性变化的方法对锅炉垢层厚度进行检测。     

基于兰姆波的大型罐体液位定点检测方法

导出薄板单面液体负载时的兰姆波特征方程,并计算出其频散曲线.根据兰姆波中某些模态的特征参数对液体敏感的特性,提出并实现了一种利用超声导波技术实现大型罐体液位定点检测的方法,并给出试验结果.结果表明,液体负载对相速度频散曲线、能量速度频散曲线影响不大,对衰减频散曲线影响较大;试验结果与理论吻合;该方法可用于大型罐体的液位定点检测.     

钢轨中导波传播模式的半解析有限元分析与试验测量

导波传播模式分析是钢轨长距离导波检测和振动噪声控制的基础。钢轨中的导波传播模式可以通过波数频率关系和对应的结构形变来有效识别。应用半解析有限元法(Semi-analytical finite element method,SAFE),基于虚功原理构建导波在任意截面弹性波导中传播的控制方程,求解弹性波导中导波传播的频散曲线和结构形变。应用该方法求解0~8 k Hz频率范围自由状态CHN60型钢轨中导波传播的波数频散关系和结构形变,并讨论8个基本传播模式的特点。采用模态力锤及多传感器测量钢轨截面形变的模态分析试验方法得到钢轨横向和垂直振动模态导波的波数-频率系数,数值分析与试验结果相符合。     

基于超声导波的钢轨完整性检测方法研究

检测无缝线路钢轨的完整性对于保障高速铁路的安全运营具有重要的意义。本文提出了基于超声导波实现无缝线路完整性检测的技术方案,设计了功能样机,并进行了实际线路测试。首先,基于半解析有限元方法求解得到了我国无缝线路CHN60钢轨中超声导波的频散曲线,通过分析频率、模态数量、振型等信息选取了适于检测钢轨完整性的导波模态,采用激励响应求解方法确定了所选取模态的激励点和激励方向;根据理论获取的数据信息,在环形道试验现场进行了实际测试,在钢轨轨腰中心安装导波换能器,沿着钢轨纵向激励,可以激励出选取的导波模态,并通过衰减曲线测试,该模态在两公里处可以接收到2 m V以上的信号。经在大西高速铁路现场测试,系统可实现2 km区间的无缝线路钢轨完整性的在线监测。     

双层粘接界面特性的空气耦合超声导波检测

针对粘接界面质量难以检测与评价的问题,提出了一种空气耦合超声导波检测方法.基于超声导波在双层介质中传播特性和界面弹簧模型理论,推导出了不同粘接界面条件下的频散方程.通过对频散方程的数值求解,获得了刚性粘接、滑移粘接和完全脱粘3种粘接界面质量的频散曲线.频散曲线分析表明:在A0模态的一定频率范围内,界面趋于刚性粘接时导波...     

板中Lamb波激励响应计算方法

采用基于半解析有限元的激励响应计算方法来求解薄板中Lamb波的激励响应结果,替代常规的实验方法,实现对薄板中Lamb波传播特性的仿真分析。与三维有限元仿真方法相比,采用激励响应计算方法仿真导波在波导介质中的传播过程可以节省计算量,提高效率。通过求解薄板中Lamb波的一般均质方程,基于频谱叠加原理,可以计算薄板中Lamb波激励响应结果。分别提取激励响应计算结果和实验测量数据,通过小波分析计算两种数据的Lamb波群速度。经验证,激励响应仿真计算结果与实验数据有很好的一致性,通过群速度频散曲线对比两种方法获取的数据,模态分析结论一致。激励响应计算方法还可以仿真计算任意截面波导介质中导波的传播过程,具有较好的通用性。