薄板腐蚀缺陷兰姆波成像检测的有限元模拟

基于A0模式兰姆波对薄板腐蚀缺陷进行成像检测,在频率一定时,由于腐蚀造成板厚的改变将进一步影响检测兰姆波速度的变化,通过检测兰姆波波速的变化可以对板材腐蚀类缺陷进行监测.根据A0模式兰姆波的频率特征,测量发射探头与接收探头之间的兰姆波走时,结合波的实际传播路径,计算出实际检测兰姆波的速度,采用联合迭代重建技术(SIRT)对走时数据进行群速度图像重建.基于有限元数值方法,采用A0模式兰姆波对薄铝板中的腐蚀类缺陷进行模拟检测,给出了成像检测结果.     

光纤布拉格传感器兰姆波检测的反射谱分析

传统的兰姆波多采用压电陶瓷换能器激发和接收。建立了新的超声兰姆波无损检测系统,其基本思想是采用布拉格光纤传感器作为兰姆波的接收器。光纤光栅传感的基本原理是通过检测光栅反射的中心波长移动实现对外界参量如超声的测量。超声作用下光纤光栅的反射谱发生变化,对超声作用下光纤光栅的反射谱变化进行了数值分析,结果表明,超声对光栅反射谱的影响与超声波长与光栅长度的比值是高度相关的。只有当这个比值相当大时,反射谱的形状才不会变化而中心波长发生偏移,此时光纤传感器可用来探测兰姆波。这个结论为利用新的兰姆波无损检测系统在布拉格光栅长度的设计和兰姆波波长的选择方面提供了有用的工具。     

应用Poisson板理论求解S0兰姆波在通孔缺陷的散射

为降低3D精确理论散射场求解的复杂性和计算成本,应用Poisson板理论描述面内波模式,给出了S0波在各向同性板中受通孔散射的近似模型。该理论利用波函数展开技术以及孔边缘的边界条件,得到了S0和SH0模式的散射远场。将Poisson板理论与3D精确理论进行比较,两者在低频情况下具有较好的一致性。考察了两个基本导波模式在不同尺寸孔的散射特性,发现它们的散射波幅值在某些散射方向随孔径呈线性变换,该结果为兰姆波无损评价提供了依据。     

利用迭加法计算阶梯圆板辐射阻抗

辐射阻抗是描述声学振动系统的一个重要物理量。对阶梯圆板的辐射阻抗而言，运用传统理论计算时，由于辐射面不在同一几何面，积分上下限很难选取而无法计算。从辐射声功率角度，基于叠加原理，提出了计算阶梯板辐射阻抗的算法——迭加法，并计算了带有一个阶梯的阶梯板辐射阻抗。     

方板阶梯辐射体指向性研究

指向性是衡量辐射体声学性能的重要参数。同相弯曲振动方板阶梯辐射体具有辐射阻抗低、面积大等特点,可广泛应用于大功率气介质超声领域。分别从材料、几何尺寸两个方面对影响辐射体指向性的因素进行了研究。并以材料为钢,边长为50 mm,基底厚度为6 mm,阶梯厚度为10 mm的方板阶梯辐射体(Ⅱ~#)为例,利用有限元将辐射体划分为多个微元,提取各微元位移振幅,计算其指向性。计算结果表明,工作频率一定时,材料对辐射体的指向性没有影响;当辐射体边长与基底厚度的比值较小时,其指向性较尖锐。实验测试与理论计算结果相符,方板阶梯辐射体指向性图案有单一主瓣,其辐射主要集中在主轴方向,形成一个半开角宽度较小的锥形射线束。     

固-液-固3层结构板中超声兰姆波的频散特性

文章采用传统矩阵方法研究固－液－固3层结构板中兰姆波的传播,数值计算结果证明了用该方法分析层状材料中的兰姆波的有效性与实用性,文章计算出的多种频散曲线对超声兰姆波的应用是有益的。     

多盲孔缺陷的超声兰姆波时域拓扑能量成像方法研究

传统超声成像方法受瑞利准则的约束，难以对缺陷间距小于成像分辨率阈值的多缺陷进行成像。提出了一种基于时域拓扑能量的超声兰姆波成像方法，将逆散射拓扑成像方法中的拓扑渐进过程转换成求解直接声场和伴随声场。然后通过将伴随声场进行时间反转，两个声场将具有在缺陷处聚焦，在非缺陷处不聚焦的特性。将直接声场和伴随声场进行融合，以时域拓扑能量值作为像素值进行成像，从而使表征缺陷的精度较高。建立了缺陷间距小于分辨率阈值的多盲孔缺陷有限元模型，通过“一发多收”的方式激发S0模式和采集缺陷散射信号，并进行时域拓扑能量成像。仿真结果表明：对于多盲孔缺陷，时域拓扑能量成像法能够获得比延时叠加法和时间反转成像法更高的分辨率，并且能在缺陷间距小于成像分辨率阈值时进行成像。     

应用兰姆波测定材料弹性参数的反演方法

提出基于兰姆波基础阶对称模式的反演方法来估计材料的弹性常数。兰姆波在存在复杂边界的结构中传播时,时域上边界回波相互混叠,各波包成分难以识别。根据兰姆波的频散特性,选取群速度最快对称模式的低频,用于反演计算。利用相位展开法获取基础阶对称模式的相速度实验值;建立以相速度实验值、弹性常数估计值、频率为变量的误差函数,当误差函数最小时,相速度实验值与基于弹性常数估计值的频散曲线吻合度最好。结合薄铝板、发电机大功率电机的线棒绝缘层、转向架的弹性常数反演过程,并进行误差分析,验证基础阶对称模式反演方法的可行性、通用性。     

激光激发薄管中超声兰姆波的数值模拟

用有限元方法,对薄管中热弹机制产生的激光超声进行了研究。在考虑材料热物理参数随温度变化的前提下,得到了薄铝管中的温度场和表面的超声导波,描绘了薄铝管中的逆时针向不同接收点处表面导波的时域波形图。由波形图可知,薄圆管中的激光超声导波是典型的L(0,m)模态的超声Lamb波,同时数值结果验证了管道中L(0,2)模式是传播速度最快且频散较小的导波,为激光超声导波在管道无损检测中的应用打下了一定的基础。     

考虑材料各向异性的纤维增强聚合物基复合材料板损伤Lamb波检测和定位

超声Lamb波法是检测板状结构损伤的常用方法,然而纤维增强聚合物基复合材料（Fiber reinforced plastics,FRP）本身的各向异性会对Lamb波损伤定位的精度造成较大的影响。为了解决此问题,在传统椭圆法的基础上,提出了考虑材料各向异性的时间概率密度法的损伤定位方法。该方法通过考虑不同传播方向的A₀模态波的群速度变化,计算FRP板上任意一点存在损伤的反射波的走时,得到声波传播时间图。创建声波传播时间与实际损伤反射波走时的映射关系,可得到能表征损伤存在概率的时间概率密度图,通过相应的数值分析和实验研究,发现本方法误差比传统椭圆法误差的减小率可达到70%以上,论证本方法对各向异性FRP板损伤定位的可行性和准确性。      

基于谱元法的复合材料裂纹梁Lamb波传播特性研究

基于谱元法提出了一种弹簧元来模拟复合材料梁由于横向裂纹导致的轴弯耦合效应,分析复合材料裂纹梁中Lamb波的传播特性。由断裂力学的相关知识求得弹簧元的刚度,建立复合材料裂纹梁的损伤谱元模型。通过模拟复合材料裂纹梁内Lamb波传播,并和传统的有限元结果进行比较,验证了所提出模型的可行性和有效性。推导了频域内Lamb波各模态的能量计算公式,裂纹处的能量守恒证明了所提出模型的正确性,同时计算表明复合材料梁中裂纹处反射与透射的Lamb波各模态能量随着裂纹深度的变化规律具有单调性,结论可以为定量识别复合材料梁裂纹提供实用依据。     

层状板中Lamb波的频散特性研究

利用矩阵递推方法，建立了层状板中Ｌａｍｂ波的特征方程以及相应的位移和应力分布计算公式，由此分析了双层板、软夹层板和硬夹层板中Ｌａｍｂ波的频散特性，特别指出软夹层的存在对Ｌａｍｂ波的频散特性有显著影响。该结论对工程测试分析有一定指导意义。     

Finite element modelling of lamb waves propagation in 2D plates and thin sheets for damage detection

Structural health monitoring is an evolving technology applied to identify, locate and quantify severity of damages in structures before failure. Lamb waves have become a keen interest for inspection since they can be used to monitor a large area from one single location. The objective of this research is to simulate lamb wave response using finite element method and its application to crack detection and identification in thin metallic engineering structures. Two types of specimen i. e. two‐dimensional aluminium plate and thin aluminium sheets are simulated using commercially available finite element package ABAQUS. Initially phase velocity and group velocity dispersion curve are plotted for aluminium material. Thereafter simulation of individual specimens with cracks and without cracks is performed. Simulation results were compared and validated with actual results and were found to be in reasonably good agreement. This is certainly done by employing group velocity and time of flight for the distance travelled between the monitoring point and crack position. Assessment of lamb waves sensitivity to various sizes and shapes of cracks like rectangular and circular are also investigated and its effect on the structure is discussed in detail.     

Scattering of waves by flaws in anisotropic laminated plates

The strip element method (SEM) is used to investigate wave scattering by rectangular flaws in anisotropic laminated plates. The plates containing flaws are divided by junctions into domains in which the SEM is applied. For each domain, SEM equations are obtained which give a relationship between the traction and displacement vector on the vertical boundaries. A set of equations which gives a relationship between the traction and displacement vector on the junctions is then obtained by assembling the SEM equations for all the domains. This set of equations is solved by using the conditions on the junctions. Scattered wave fields in the frequency domain for isotropic and composite plates with rectangular flaws are computed and discussed in comparison with results for corresponding plates without flaws. A technique for determining the length of a rectangular flaw in a plate is also presented. The results presented in this paper are of importance and could be used in the characterization of flaws in anisotropic laminated plates.     

兰姆波频散方程的理论求解及实验研究

为了得到板内各声波模态的理论传播速度,利用牛顿切线法求解Lamb频散方程。求解相速度时,保持了频率和板厚在计算中的独立性;求解群速度时利用隐函数求偏导的方法。克服了编程求解中频率厚度不能分离的困难。随后在钢板上进行了实验验证。声速采用声发射定位技术进行测量,并把实验数据进行拟合。研究发现薄板上的实验数据和理论值吻合,厚板上的扩展波理论群速度比实验群速度高400 m/s。     

The least‐squares finite element method in elasticity. Part II: Bending of thin plates

A least‐squares finite element method (LSFEM) for bending problems of thin plates is developed. This LSFEM is based on the first‐order deflection‐slope‐moment‐shear force formulation. Four compatibility conditions are added into the first‐order system; thus, the method can accommodate all kinds of equal‐order interpolations. Numerical experiments on various examples show that the method achieves an optimal rate of convergence for all eight variables. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于概率损伤算法的复合材料板空气耦合Lamb波扫描成像

采用非接触空耦传感器在准各向同性复合材料板中激励出单一的Lamb波模态,用于分层缺陷的扫描检测。扫描时,激励和接收传感器置于复合材料板同侧并相对倾斜布置,传感器沿2个正交方向同步线性扫描,得到不同位置的检测信号。对不同扫描路径下的检测信号进行连续小波变换,提取激励频率下的小波系数包络信号,对分层缺陷进行成像。在此基础上,利用概率损伤算法定义损伤指数,结合不同方向的损伤指数实现分层缺陷成像。采用全加法和全乘法对2个正交扫描方向得到的成像结果进行数据融合,实现了分层缺陷的定位和重构。并在成像算法中引入阈值,进一步提高了分层缺陷的定位精度以及重构质量。     

An analysis of nonlinear thickness-shear vibrations of quartz crystal plates using the two-dimensional finite element method

A nonlinear analysis of high-frequency thickness-shear vibrations of AT-cut quartz crystal plates is presented with the two-dimensional finite element method. The Mindlin plate equations are truncated to the first-order ones as an approximation, and then they are used for the formulation of nonlinear finite element analysis with all zero- and first-order displacements. The matrix equation of motion is established with the first-order harmonic approximation, and the generalized nonlinear eigensystem is solved by a direct iterative procedure. A displacement amplitude versus frequency curve and corresponding mode shapes are obtained and examined. The nonlinear finite element program is developed based on the earlier linear edition and can be utilized to predict nonlinear characteristics of miniaturized quartz crystal resonators in the design process.