利用Lyapunov指数实现超声导波检测的实验研究

利用杜芬方程Lyapunov指数提出了一种敏感的超声导波识别方法,并通过对钢管中导波信号的检测验证了该方法的有效性。首先,对比了输入Hanning窗调制导波信号与纯噪声信号对系统Lyapunov指数的不同影响,给出了利用Lyapunov指数识别弱超声导波信号的基本原理,并确定了检测系统参数。然后,利用压电传感器在3 m长的钢管中激发和接受超声导波,并将实测导波信号输入杜芬检测系统。研究结果表明,Lyapunov指数可以有效地识别出回波信号中是否存在导波信号,而对于噪声信号Lyapunov指数表现出一定的免疫力,该方法有助于提高管道微缺陷识别的灵敏度。同时,利用输入含噪声的实测导波信号与输入实测纯噪声信号后的两个最大Lyapunov指数之比定义损伤指标,当缺陷在一定范围之内时,该指标具有单调递减性,可用于评估缺陷大小。应用本方法,可有效地提高导波检测的灵敏度。     

基于物联网和超声导波的管道检测系统研究

针对当前城市管道检测系统实际应用时复杂的人工操作问题和管道工作环境信息的分析预警功能缺失问题,设计开发一套基于物联网和超声导波的城市管道检测系统。该系统将物联网、超声导波检测、信号处理等技术相融合,通过无线网络将数据传到云端数据处理中心并由数据处理中心分析管道检测信息,实现管道缺陷检测、环境信息采集以及预警等功能。实验仿真表明:该系统的缺陷定位精度达到了(能够满足)城市管道检测的要求,在减少人工操作的同时,能有效提供预警功能。     

基于纵向超声导波管道非通透缺陷检测研究

管道经过长期服役后,由于磨损、腐蚀和意外损伤等原因,对管道正常运行产生危害。在实际工况中,小的腐蚀缺陷容易发展成腐蚀穿孔,浅层的小裂纹容易发展成穿透型裂纹,因此探究如何有效检测管道小宽度非通透缺陷是很有必要的。利用ANSYS有限元仿真软件模拟纵向模态导波对管道的周向和斜向非通透缺陷的检测,得到了周向非通透缺陷的反射系数曲线,并证实时间反转法可以显著提高导波对非通透斜裂纹的检测能力。还针对空管和充水管非通透斜裂纹的定位问题进行了研究,结果表明利用时间反转法可以得到缺陷较为精确的周向与轴向位置及大致形状。     

基于超声导波检测管道缺陷的数值模拟

为了研究扭转模态在不同形状管道中的传播特性和缺陷的检测能力,建立了带有缺陷的管道有限元模型,利用有限元软件ABAQUS对T(0, 1)模态导波在直管、弯管中的传播过程进行数值模拟研究。导波信号采用汉宁窗调制的正弦信号,激励T(0, 1)模态信号。结果表明:最低阶的扭转模态适合于管道的缺陷检测;50 kHz的T(0, 1)模态导波对直管、弯管上的缺陷敏感,在缺陷对应的位置上,导波的回波幅值最大,能量也较集中。     

流体管道超声导波无损检测

研究工程中流体管道的结构损伤识别技术具有现实的意义。以实现管道损伤定位为目的,探讨超声导波检测技术在流体管道的结构损伤识别中的可行性以及其识别精度。选择材料为20#碳钢的圆管为研究对象,根据频散方程利用数值法求解其各个模态频散曲线。以管中导波的传播原理为基础,从管中导波的模式、频散特征、避开截止频率、传播速度等方面因素选择激励信号,通过Abaqus有限元仿真分析导波在流体管道中的传播机理,利用概率密度函数法实现流体管道损伤定位。最后通过在管道上引入切槽损伤和孔损伤进行实验,对定位方法进行验证,实验结果与仿真分析基本吻合,证明了该方法的工程实用价值。     

超声导波混频表征和定位早期局部损伤的研究进展

超声导波具有远距离传输的特性,能够快速、有效地大范围检出薄板中的损伤或缺陷。非线性超声导波相较于传统超声导波,主要研究基波与材料中微观组织演化相互作用而产生的高阶谐波,对尺寸远小于基波波长的损伤或缺陷比较敏感。其中,超声导波的二次谐波相对容易激发,已被用于定量评估早期损伤。但是,超声导波的二次谐波容易受到测量系统非线性的干扰,并且无法定位材料中的局部损伤。超声导波混频在频率、模式、传播方向的选择上具有一定的灵活性,克服了二次谐波的缺点。目前,超声导波混频在理论、模拟和实验上取得了一定的进展,已被用于表征和定位金属材料中处于早期阶段的疲劳、热老化、微裂纹、冲击损伤和局部塑性变形等。高频段超声导波混频、兰姆波相向混频和非共线混频中差频谐波或和频谐波的传播性,以及更多类型损伤的定位和表征仍有待进一步研究。     

基于超声导波技术对钢杆表面缺陷的无损检测研究

研究了圆柱钢杆内导波的传播及其频散特性。通过实验验证了杆中“直达纵波”这一现象并对其进行了分析,同时利用所建立的实验系统,对2320mm长圆柱钢杆表面的人工缺陷进行了检测。结果表明,在特定频率处,选择L(0,1)模态的超声导波检测钢杆中的缺陷是可行的。     

碳纤维复合材料凹槽缺陷空气耦合超声导波检测

传统的超声导波检测需要使用水或油等作为耦合剂,而有些特殊材料由于其自身原因无法使用耦合剂,使得检测受到限制.本文以碳纤维复合材料为研究对象,采用非接触空气耦合超声导波检测方法,选取0.2MHz探头频率,通过分析3种人工划槽缺陷在相同深度、不同宽度下超声回波信号的幅值变化,来研究不同缺陷大小与回波信号幅值的对应关系,为空气耦合导波在复合材料检测中的应用提供实验指导.实验结果证明了空气耦合超声导波检测的可行性和可靠性.     

基于Poincare截面突变特性的管道小缺陷识别与评估

利用混沌系统的参数敏感性与噪声免疫性,提出了一种以Poincare截面为混沌判据的弱导波信号检测系统,实现了管道小缺陷的识别与评估.首先,结合分岔分析与Poincare截面获取混沌阈值,完成了检测系统的参数设定.然后,通过仿真分析验证了以Poincare截面为混沌判据的检测系统的噪声免疫能力与参数敏感性.最后,开展了超...     

利用混沌振子系统识别超声导波信号的仿真研究

本文提出了一种基于改进型杜芬混沌振子系统的强噪声下超声导波的识别和定位方法。首先,采用(-x3+x5)作为杜芬方程的非线性恢复力项,提高了系统的敏感性;其次,利用Melnikov方法、并结合待检测信号频率、噪声水平设置了杜芬系统参数;再次,利用驱动力幅值变化使得杜芬系统产生间歇式混沌,并将系统由大周期态向混沌吸引子过度的临界态作为检测系统。为了说明杜芬系统对噪声信号的免疫力,分析了随机噪声对系统扰动的统计特性。最后,利用导波信号对系统相轨图的显著变化识别导波信号,并提出了二分法用于识别导波发生时刻,并对输入信号的长度影响进行了讨论。仿真算例表明,利用杜芬系统相轨图对噪声和导波信号截然不同的响应特点,可以有效地检测弱导波信号,该方法对于延长导波的检测范围、以及提高微缺陷的检测灵敏度具有重要意义。     

钛合金超声椭圆振动辅助车削实验研究

设计钛合金超声椭圆振动辅助车削实验,获得不同超声波电源电压下刀具近似椭圆运动轨迹。分析超声椭圆振动辅助车削切削力变化规律,与普通车削相比超声椭圆振动辅助车削能在较大程度上降低切削力。研究超声椭圆振动辅助车削工件表面粗糙度变化规律,与普通车削相比超声椭圆振动辅助车削工件表面粗度Ra值略增大,Rz值明显降低。分析进给速度对切削力的影响规律,随进给速度增大,普通车削及超声椭圆振动辅助车削切削力均升高。对同一进给速度,与普通车削相比超声椭圆振动辅助车削切削力均降低,且随进给速度增加其降低幅度减小。对比超声椭圆振动辅助车削与普通车削工件表面形貌发现,施加超声椭圆振动后工件表面沿切削速度方向形成有规律振纹。     

碳纤维增强复合材料层合板Lamb波衰减特性研究

为提取适用于碳纤维增强复合材料层合板声发射故障诊断的模态信号,利用三维弹性理论及传递矩阵法获得Lamb波的频散曲线。以碳纤维增强复合材料层合板为研究对象搭建实验平台,改变断铅激励位置从而获得不同声发射信号。对采集的声发射信号进行小波尺度谱分析,结合频散曲线分离出不同模式的Lamb波,分别研究其不同频率的幅度及能量衰减特性。实验结果表明,较其它信号,低频率S0波幅度信号衰减速度较低,对碳纤维增强复合材料层合板的声发射故障诊断研究具有较大优势。     

载荷作用下EPS混凝土中弹性波传播特性研究

应用EPS混凝土来模拟含缺陷的岩石材料。对EPS粒径分别为1、2和3mm的三种EPS混凝土试样进行了载荷作用下不同频率的弹性波传播实验研究。采用单一频率脉冲叠合的方法来精确确定材料的波速,结果表明：EPS混凝土的p波波速随载荷增加在试件的开始压密实阶段有较明显的增大趋势,当试件相对密实,波速增加不是很明显;s波波速随载荷增加有一定程度增加,但幅度比p波波速增加得小得多。应用一种相对波速的方法,即将波速与当前载荷下材料的声波速度进行对比,可以较好地分析波速与载荷和频率的关系。最后对波速与载荷和频率的关系进行了理论模拟分析。此研究对于应用弹性波进行材料和结构的无损检测等技术方面有很好的参考意义。     

纵弯转换球面超声振动聚焦系统谐振特性研究

对由纵向振动换能器与薄球壳组成的纵弯转换超声振动球面聚焦系统进行理论、实验研究,揭示系统的振动特性。研究表明,系统具有完全与不完全两种谐振模式。 在不完全谐振模式下系统具有整体谐振及局部共振两种状态,在两种状态下系统均可实现谐振。 基于研究结果,提出系统在不同谐振状态下的设计方法。对新型聚焦系统设计、应用具有重要实际意义。     

悬索桥缆索钢丝损伤超声导波检测数值模拟

为了实现对大跨悬索桥缆索钢丝损伤的有效检测,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对超声导波无损检测技术进行研究。通过理论求解钢丝中导波的频散曲线,分析频散特性和波结构,选取中心频率为200 kHz的L(0,1)模态进行钢丝断丝损伤检测;利用有限元软件,研究了钢丝中导波的频散特性和波结构,通过二维傅里叶变换技术对钢丝中的低阶导波模态进行识别,进一步分析了缺陷尺寸和角度对L(0,1)模态缺陷反射系数的影响;最后,对L(0,1)模态在两根钢丝和七根钢丝的断丝处的缺陷回波进行了数值模拟。数值模拟与理论分析结果相吻合,说明低频L(0,1)模态可以有效地对缆索钢丝断丝损伤进行远距离检测。     

单激励纵扭复合超声铣削系统研究

针对切削、焊接过程中超声复合振动能获得较高加工质量、效率及有助于延长刀具使用寿命,研究分析纵扭复合超声铣削系统运动特性及切削轨迹特征;基于斜梁振动原理,提出加工工艺简单、制造成本低的斜梁式超声变幅杆,并利用有限元软件ANSYS进行结构动力学分析, 证实通过单向激励可产生纵扭复合振动;应用研制的纵扭复合超声振动铣削系统对碳纤维复合材料进行切削试验,获得较好加工效果,从而验证理论分析与数值模拟结果的正确性。     

一种圆锥形变幅杆弯曲振动固有频率的计算方法

提出了一种圆锥形变幅杆弯曲振动固有频率的计算方法。先忽略剪切变形和惯性矩作用,基于Euler-Bernoulli杆理论求解出固有频率初值,再计入二者的作用进行弯曲振动固有频率的修正。应用有限元分析法和模态实验测试对该方法进行了验证,理论结果与实验结果相吻合,误差在5%以内。基于该方法编写了程序,实现了弯曲振动变幅杆结构的主动设计。     

三塔两跨悬索桥行波效应振动台试验及数值研究

为了研究行波效应对大跨多塔连跨悬索结构抗震性能的影响,以泰州长江公路大桥为背景,设计并制作1/40缩尺比例模型,进行了全桥振动台模型试验。采用中塔与主梁间弹性索连接的纵向约束结构体系,试验分别测试了不同视波速下行波效应对全桥位移响应的影响。振动台试验表明,考虑行波效应时,中塔顶位移、北塔梁纵向相对位移会有明显增大,最大增幅在50%以上;主桥梁与引桥梁纵向相对位移也会有明显增大,增大幅值在1倍以上。因此,仅考虑一致地震激励不能保证大跨度多塔悬索桥的结构安全。通过比较试验结果和数值计算结果可以发现,试验结果与有限元数值模拟结果较为接近、吻合较好。数值计算所采用的绝对位移法分析行波效应方法操作简单,力学概念清晰,可方便的应用到大跨度桥梁行波效应分析中。     

砂浆板冲击破坏试验研究

通过锤击、均匀冲击荷载试验,采用逐级递增循环冲击加载方式,研究冲击荷载下砂浆板的破坏特征及冲击力、冲击能与最大加速度响应间关系。试验表明,二种冲击作用均使砂浆板跨中区域出现贯穿裂缝,呈脆性劈裂破坏形态,均匀冲击作用下破坏位置与跨中有一定偏移;锤击力时程经历主冲击、次冲击、卸载三阶段,加速度响应随锤击力增加而增加,裂缝贯穿后冲击力、加速度响应大幅减小;均匀冲击下加速度有二组响应区,响应随冲击能增加而增加,当冲击能达一定程度时响应大幅减小;继续增加冲击能,响应又会增加,并较快发生劈裂破坏,响应大幅减小;支座螺栓松动能缓冲部分冲击作用。