有界双层结构SH导波频散特性分析

为了检测附着防腐层层状结构中是否存在剥离、孔洞等缺陷,利用超声SH导波研究层状结构频散特性的影响因素,基于弹性及粘弹性波动理论并依据Navier运动位移方程推导了附着防腐层双层结构的频散方程,并分析了防腐层剥离缺陷状态对频散特性的影响.结果表明:通过研究SH导波频散特性的变化可反映附着防腐层的双层结构是否存在剥离缺陷;防腐层产生剥离缺陷时,导波SH_0模态发生频散且向防腐层横波速度渐近.防腐层剥离缺陷尺寸增大,回波信号幅值增加,截点振动速度变慢,导波能量衰减减小.     

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.     

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。     

面内波倾斜传播的传递矩阵算法

采用传递矩阵法研究压电效应的影响下面内波在一维压电声子晶体当中倾斜传播时的频散特性。传递矩阵法基本思想为:元胞中的子层、两侧状态向量可由关系矩阵相连,相邻子层的状态向量,由界面间的关系也可得到一联系矩阵,最后结合布洛赫(Bloch)定理,得到波在层状周期复合结构中传播的频散方程。主要研究对象为面内波,面内波是由P波和SV波耦合而成的,当面内波在周期结构中均匀传播时,P波和SV波同时在结构中传播。通过传递矩阵法得到面内波在一维层状周期结构当中倾斜传播时的频散方程,绘制相应带隙图,分析压电效应的影响。     

压电半导体板超声导波特性研究

利用解析Legendre多项式方法研究压电半导体板中的超声导波特性,该方法将传统Legendre多项式法计算波动力学问题时存在的大量数值积分转换为解析积分计算,克服了传统方法计算量大、计算耗时的问题。导出不同电学边界下的压电半导体板耦合波动方程,利用解析Legendre多项式法将耦合波动方程转换为以波数为特征值的特征计算问题,得到超声导波频散关系。计算压电半导体板SH波频谱,并与文献结果对比验证所提方法的正确性。研究压电半导体板Lamb波的相速度频散、衰减和应力分布,分析电学边界条件和稳态载流子浓度对相速度频散和衰减的影响及稳态载流子浓度对应力分布的影响。数值结果表明：电学边界条件和稳态载流子浓度对压电半导体板Lamb波相速度和衰减有较为显著的影响,调节稳态载流子浓度可以实现超声导波特性的调控。     

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.     

板中孔状缺陷的超声导波检测试验研究

为了实现对板类结构的主动健康监测,采用附着在结构上的压电陶瓷晶片激励和接收导波模态,选取合适模态用于板中缺陷的识别和评估.理论分析结果表明,在低频范围内,相对于A0模态,以面内位移为主、频散小的S0模态更适合于铝板的缺陷检测.利用直径11 mm,厚0.4 mm的压电陶瓷晶片在1 mm厚的铝板上激励和接收得到适合缺陷检测的频率300 kHz的S0模态.在此基础上,在铝板中加工一孔状缺陷,分析了S0模态的缺陷检测能力,并进一步研究了缺陷直径对接收到的导波信号幅度的影响.实验结果表明,利用一发一收法得到的Lamb波模态可以用于铝板中的缺陷检测,并且缺陷回波的幅度可实现对缺陷大小的表征.     

含层状液体介质瑞雷面波频散曲线正演分析

瑞雷面波在地球物理勘探和工业无损检测中起着重要的作用.自由界面激发的瑞雷面波有多个导波模式,瑞雷面波频散曲线特征可以清楚反映各层介质的力学参数.很多文献已经讨论了横向均匀层状固体介质中瑞雷面波的传播模式和特征,为了研究含层状液体介质自由界面瑞雷面波的传播特征,本文用传递矩阵法,结合位移应力的边界条件,推导出不同情况下含层状液体介质的瑞雷面波频散方程,频散函数表现为实数域的行列式,所以可用二分法求解,数值计算出三种不同情况下含层状液体介质模型的多模式瑞雷面波频散曲线,并对频散曲线的特征和影响因素作了简单分析,发现频散曲线可以清晰反映某些介质的层速度参数.     

界面缺陷对压电薄层复合结构中Love波的影响

基于剪切弹簧模型,建立考虑界面缺陷情形的弹性基底上覆盖压电薄层的复合结构中Love波的频散方程,并研究界面缺陷对Love波传播特性的影响,给出铝基底上覆盖PZT4压电薄层复合结构中Love波的频散曲线.数值结果表明:(1)对于长波情形,不同缺陷程度复合结构的Love波一阶模态的相速度均趋于弹性基底层的剪切波波速,而对于短波情形,则趋于压电薄层的Bleustein-Gulyaev(B-G)波波速;(2)界面缺陷的存在总是降低该复合结构内Love波的相速度,在一些特殊频率范围,Love波的相速度对界面缺陷非常敏感;(3)界面缺陷对压电层内的机械位移模态和电势模态有显著影响,且影响最大区域出现在界面附近.     

弹性板中低阶导波模态声弹性效应分析

针对当前板类结构应力检测方法的不足,提出一种基于非线性声弹性效应检测应力的方法.该方法利用声弹性运动方程和Rayleigh-Lamb频率方程,绘制了4 mm Q235钢板中S0、A0与SH0模态的频散曲线与波结构图,并对不同激励频率下上述模态的群速度相对变化率进行了理论计算与有限元模拟仿真.结果表明:S0模态的声弹性效应较A0模态与SH0模态更敏感,且声弹性效应最敏感的激励频率为频散较弱的90～150 kHz;声弹性效应与所激励模态的波结构有关,沿应力方向面内位移越大声弹性效应越显著.     

超声导波技术在管道缺陷检测及评价中的应用

超声导波技术是一种新兴的无损检测技术,由于其检测距离长、速度快、成本低、且可以对常规管道检测方法无法接近的管道进行检测及评价,多用于对带夹具、有套管或埋地管道的检测.笔者对管道超声导波的检测原理,以及超声导波在管道中的传播和衰减特性进行了研究,分析了影响管道超声导波检测准确性的主要因素,并采用纵向和扭转模态导波对一段24,,m长、存在复杂管道特征及人为加工缺陷的管道进行了实验.     

基于分向半解析有限元法的矩形杆波动特性

为了研究超声导波无损检测的技术核心,利用分向半解析有限元法对矩形杆中超声导波的频散曲线进行计算,求解了几种不同尺寸、不同物理参数的矩形杆中超声导波的相速度和群速度曲线.通过对比得出分向半解析法能够精确求解矩形杆中导波的频散特性;几何尺寸和材料参数的变化对不同导波模态的影响并不相同.最后,搭建试验装置,对具体模型进行试验验证,进一步验证了计算方法的准确性.     

基于Lamb波的铝板损伤定位检测方法

针对用基准信号和散射信号的差异来识别损伤会因实验环境的变化而造成损伤定位精度差的问题,提出了一种四点圆弧法结合时间反转聚焦原理的损伤定位检测方法,并通过仿真与实验分别进行了验证.首先分析了Lamb波的传播特性并推导了波动特征方程,用MATLAB进行了求解并绘制出频散曲线.然后利用ABAQUS来仿真Lamb波反转聚焦信号...     

基于模式分离的瑞雷波频散曲线的计算

为了计算出更准确的瑞雷波频散曲线,利用F-K法分离相邻两道地震记录中所需模态瑞雷波的频散曲线,能较好地避免各模式波的相互影响。用相移法和S变换计算三层层状模型的瑞雷波频散曲线,并与理论值对比分析可知:相移法能较准确地提取多道地震记录中瑞雷波的频散曲线;利用S变换计算F-K分离后的所需模态瑞雷波的频散曲线,能有效地提高计算精度。在实际算例中验证了该方法的准确性。     

复合管道轴对称导波改进半解析有限元建模

针对层状复合管道经典半解析有限元(SAFE)模型无法直接区分纵向模态导波和扭转模态导波的问题,在SAFE基本原理基础上结合纵向模态导波和扭转模态导波的力学特性,分别建立纵向模态导波和扭转模态导波的SAFE模型.该模型实现了纵向模态导波和扭转模态导波的单独计算,避免了复杂的导波模态区分过程,减少了SAFE模型的计算工作量,提高了计算效率.通过与基于全局矩阵法原理的PCdisp软件的计算结果比较,证明该SAFE模型具有良好的计算精度.利用所建的SAFE模型计算了环氧树脂钢管中纵向模态导波和扭转模态导波的传播特性.     

纤维断裂损伤对复合材料板中导波频散特性的影响

利用带状单元法分析了存在纤维断裂损伤的复合材料板中导波的频散特性,并讨论了不同损伤模式对导波频散特性的影响。将纤维增强复合材料板的每一铺层视为一个带状单元,对于纤维断裂铺层,假设材料常数退化成与基体相同。在此假设下,获得了含纤维断裂损伤复合材料板的运动方程,将该方程转化为特征值问题,即可获得板中导波频率与波数的关系。最后利用数值算例分析了单层纤维断裂和多层纤维断裂损伤对导波频散特性的影响,分析结果可对纤维增强复合材料板的超声无损检测技术提供理论依据。     

基于状态空间方法的Lamb波传播分析

Lamb波是对板类结构进行超声无损检测时常用的一种导波模式.用状态空间方法将结构中质点运动的部分位移和应力作为状态变量,结合本构方程和力平衡方程,得到了质点运动的状态方程.获得状态方程的通解后,考虑Lamb波存在的边界条件,可方便地求出波传播的频散曲线及模态参数.     

正交各向异性圆柱板中周向衰逝导波频散特性

针对复数根描述的衰逝波难以求解的问题,提出一种基于正交多项式级数法计算导波问题的改进方法,使其能够求解衰逝波问题,该方法可同时求解得到纯实数根、纯虚数根和复数根.计算了大径厚比圆柱曲面板中的周向衰逝导波频散曲线,并与已有文献计算的板频散结果进行比较,验证了提出方法的正确性.应用提出方法计算得到了不同圆柱板中周向衰逝导波频散,给出了完整的三维频散曲线,研究了不同径厚比和材料弹性参数对衰逝导波频散特性的影响.     

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．     

弯管中超声导波传播特性的研究

为了利用超声导波检测弯管中的缺陷,研究了L(0,2)模态在弯管中的传播特性．通过实验得到了不同曲率半径的90°弯管中L(0,2)模态的透射系数．结果表明,L(0,2)模态在弯管中传播时会出现模态转换现象,幅度有相应的衰减,从而影响导波的传播距离和缺陷检测能力;随着曲率半径的增大,L(0,2)模态的透射系数逐渐越小,并且对于同一弯管,激励频率越大,透射系数也越小．