超声导波在缺陷弯管上的数值模拟研究

采用数值模拟的方法对弯管结构进行了分析.通过对4种不同弯曲半径弯管的特性进行分析,最终选定70 kHz作为导波的激励频率;通过对不同周期信号在弯管中的特征进行分析,选定激励信号的周期为5.通过对不同弯曲角度弯管进行分析,L(0,2)模态导波经过弯管时会发生模态转换,转换为F(1,2)模态;在弯管内侧与外侧进行检测发现存在显著区别,弯头内侧会发生信号衰弱,较小的损伤不易检测,外侧会发生能量聚集,损伤特征更加明显;透射系数受弯曲角度影响较大,在90.时透射系数较小,能量损失严重.     

弹性波在高压输电线中的传播特性

采用压电陶瓷设计了一种适用于高压输电线结构健康监测的传感器,分析了该传感器在输电线表面激励弹性波,得到了弹性波在输电线中的传播特性。利用Gabor小波变换计算传感信号到达时间的原理,试验得到了弹性波在输电线中传播的群速度频散曲线。结果表明,在低频段(低于30kHz)时,弹性波在输电线中的传播模态比较简单,适合用于结构健康监测。通过弹性波在输电线中的衰减试验,得到了信号峰值随传播距离的衰减曲线以及激励信号频率与信号峰值之间的关系曲线,得到弹性波在输电线中按照指数规律衰减。     

基于模态分析和小波变换的声发射源定位新算法研究

针对传统声发射源定位中，声发射信号到达传感器的时间受设定门槛电压影响很大，导致声发射源定位效果较差，提出了一种声发射源定位新方法。根据模态声发射理论，携带声发射源信息的声发射信号在结构中传播过程中，具有频散现象和多模态特性。因此，声发射源定位应基于同一频率下、同一模态导波到达各个传感器的时间和传播速度。通过对声发射信号进行Gabor小波变换的方法，在时频空间内确定某一频率下某一模态导波到达传感器的时间；并通过数值计算得到该频率处模态导波的群速度，从而实现声发射源的准确定位。通过薄板中声发射线源定位试验，证明了该定位算法的有效性。     

超声导波在扭转模态下的管道缺陷检测

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。且50kHz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。     

基于L(0,2)模态导波的缺陷反射信号的实验研究

通过管道超声导波缺陷反射理论和检测理论,分析了超声导波与缺陷作用后的传播特性。为了对管道中缺陷信号进行辨识,利用周向压电晶片阵列在带有不同缺陷的管道中激励不同频率的L(0,2)模态导波对管道进行缺陷检测实验,研究了导波激励频率、模态转换后各模态幅值与缺陷尺寸的关系。结果表明,在缺陷截面比与信号激励频率相同的情况下,裂纹缺陷的反射系数比腐蚀缺陷的反射系数大;L(0,2)模态导波与裂纹缺陷相互作用后会产生F(2,3)模态;与缺陷同一周向位置的压电片接收的反射回波幅值最大。     

Lamb波在搭接板中传播规律的数值仿真研究

对储罐底板的搭接结构进行建模仿真,利用加载波结构的原理在板中激励出单一的Lamb 波模态,得到了各模态在搭接板中的传播规律与信号特征;利用能量系数对不同频率激励情况下的各模态信号进行了分析,得到了A0模态和S0模态能量分布和损失的规律,对比了各自穿透焊缝的特性,同时,研究了搭接长度对信号的影响。研究表明,低频Lamb波...     

基于宽频激励的管型结构导波检测

在对管型结构的导波检测过程中,需要预先选定导波模态,并确定激励频率,这个选择的过程存在一定的盲目性,而在多次反复试验中确定最佳激励模态和频率也会带来精力、时间、硬件资源的耗费问题。介绍一种信号处理方法,在宽频信号作为激励产生响应的基础上,采用该算法可获得其频带范围内任意单频激励信号对应的响应,有效解决了预先选定模态及频率的问题。同时,引入时频分析技术,根据缺陷反射回波能量的分布情况快速确定具有低模态转换响应的导波频率区间。通过对比各频率计算结果的模态和缺陷反射信号幅值,发现缺陷管中理想的激励导波频率在140~180 kHz,且缺陷反射回波幅值随激励信号周期增加而增加,但这种特点在低频表现得不明显。这为根据管中缺陷大小及类型,选择不同激励频率和周期提供了理论依据。     

基于导波频散特征的超声导波模态识别方法

针对超声导波检测应用中模态识别难的问题,提出一种基于导波频散特征的模态识别方法。通过估计导波信号的频散量来识别导波模态,而导波的频散量与该模态导波波数在激励频率处的二次泰勒展开系数有关。根据导波信号的频散特点,构造带时间斜变的Chirplet匹配原子库,基于该Chirplet原子库,对导波信号进行匹配追踪分解,并算得该导波信号波数在激励频率处二次泰勒展开系数的最优估计值,再根据预先算得的各模态导波的波数-频率频散关系,区分导波信号的不同模态。数值模拟和试验验证都表明,该导波模态识别方法是准确且有效的。而该方法的不足之处是尚不能识别混叠严重的导波信号。研究结果有助于提高人们对复杂导波检测信号的解析能力,并推动导波检测技术的推广应用。     

磁性液体水平传感器的数值模拟与实验验证

建立了一种以磁性液体为感应元件的水平传感器的数学模型,利用数值模拟的方法对传感器的输出特性进行研究,并通过实验对数值模拟结果进行验证。结果表明:数值模拟与实验结果基本一致。当结构参数确定之后,该种传感器的输出电压信号及灵敏度正比于磁性液体的磁化系数、激励信号的输入电压有效值、激励信号的输入频率;输出电压信号与被测倾角呈线性关系,而灵敏度则与被测倾角大小无关;输入频率信号的适合取值范围为500～2000Hz。     

结构声发射的数值模拟及实验研究

由于声发射源产生的瞬态弹性波会在传播过程中产生各种频率和模态的声发射信号,这给应用声发射技术进行无损检测带来一定困难。针对声发射信号在实际介质中传播的复杂性,为了研究弹性波的传播对波形的影响,提出了利用有限元方法模拟声发射信号在薄铝板的传播及几何形状边界反射过程,得到声发射波形的时域特征,进一步分析了声发射信号在铝板中的传播特性;搭建了与有限元模型相应的声发射断铅实验系统来采集断铅信号。试验及研究结果表明,利用声发射断铅实验系统获得的信号与有限元计算方法得到的模拟信号基本吻合,说明有限元数值计算方法可以作为分析声发射信号传播过程的一种手段;该结果为基于声发射的结构缺陷检测技术提供了数值模型,同时声发射技术用于无损检测也有了更精确的理论基础。     

包覆层性能对输气管道纵向模态导波传播特性的影响

对带黏弹性包覆层管道中纵向模态的传播特性进行了理论分析,对纵向模态尤其是L（0,2)模态的频散和衰减特性进行了研究。建立了沥青包覆层管道的三维有限元模型,研究了激励频率、包覆层密度以及包覆层纵波衰减系数对导波传播的影响,并在带沥青包覆层钢管中进行激励和接收 L（0,2)模态的实验。结果表明,在低频范围下,随着激励频率和包覆层密度的增大,L（0,2)模态受沥青包覆层的影响也增加,其能量衰减也逐渐增大;对于带沥青包覆层的管道,其衰减频散曲线可用作模态选取的理论指导,采用低频纵向模态超声导波对带低密度包覆层管道检测时效果较好。     

基于导波的弯管裂纹缺陷的检测

为了探究超声导波在90°弯头所引起的模态转换对检测造成的影响,采用试验和模拟的方法来研究导波在90°弯头中的传播特性,利用周向均布的长度伸缩型压电片激发导波L(0,2)模态,对弯头及弯头两端直管道上的周向裂纹缺陷进行位置识别;并对比直管道检测结果,研究弯头对导波模态转换的影响。采用小波分析对试验信号进行降噪处理,试验结果表明,L(0,2)模态导波穿过弯头后发生模态转换,产生弯曲模态F(1,2)。弯头处裂纹缺陷的检测敏感性与其所在位置有关,弯头外侧的检测敏感性最高;且检测敏感性与激发频率有一定关系,在较高的激发频率(120~130 k Hz)下,弯头两端直管道上裂纹缺陷检测的敏感性最高;当激发频率处于较低频率(80 k Hz)时,导波对弯头内侧缺陷检测的敏感度最高。因此提出采用不同激发频率的导波对带有弯头的管道系统进行综合检测的方法。利用数值模拟的方法对导波在弯头处的传播特性进行研究,模拟结果与试验结论相吻合。     

基于高频动态特性的点阵结构损伤识别研究

针对轻质点阵结构中的脱焊损伤,文中采用高频动态响应特性分析方法,通过测量损伤局部处的共振响应,直接对脱焊点进行定位。基于数值方法计算模拟了轻质点阵结构的高频响应,研究了含多个脱焊损伤的点阵结构在高频段内的固有频率和固有振型。结果显示,损伤处将产生明显的局部共振。在实验验证中提出了采用压电片的宽频激励方式,结合扫描式激光测振仪全场测量,计算得到结构在激励频段的频响函数。通过分析频响函数峰值频率对应的固有振型,准确识别出损伤位置。数值与实验研究结果均表明,对轻质点阵结构的高频响应特性进行模态参数识别,可有效识别定位脱焊损伤。     

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。     

基于随机减量技术的模态参数识别方法探讨

大型基础工程结构的特征参数识别通常是通过对环境载荷激励的结构响应进行分析来实现,随机减量(Random Decrement,RD)技术是环境激励下的模态参数识别方法中应用较广的方法。在实际应用中受环境、测量等条件的限制,信号常为含有某些优势频率的非平稳信号,常常导致随机减量技术在识别结构参数尤其是系统阻尼时带来较大误差。为提高随机减量技术在环境激励作用下识别结构参数的准确性,文中从分析随机减量信号频谱中的频率分布特性入手,结合随机减量函数产生的触发条件,给出了一种利用信号频谱的统计特征进行模态参数识别的方法。数值仿真结果表明该函数能准确识别在含有优势频率环境载荷作用下的结构参数。     

热连轧机位移传感器结构的试验模态分析

辊缝位移传感器是轧机压下控制系统(Automatic gauge control,AGC)的关键元件,也是轧机AGC控制系统的反馈环节之一。辊缝位移反馈信号受传感器结构动态特性的强烈影响,传感器结构设计不合理甚至危及轧制过程的稳定性。模态参数可以完整地描述结构的动态特性,在结构动态设计和结构动力学修改阶段,必须进行有效的动态特性分析。采用单点激励、多点加速度响应拾振,对热连轧机辊缝位移传感器的外壳和位移传递杆结构进行了振动测试。以试验模态分析理论为基础,使用最小二乘复指数法(Least square complex exponent, LSCE),提取传感器结构的模态参数。分析结果表明,传感器外壳的垂直振动模态频率与热连轧机架的垂直振动模态频率接近,会对轧机工作机座的振动形成耦合,其动态特性对轧制过程的稳定性有严重危害。这些分析结果对建立轧机压下控制系统仿真模型以及进行结构动力学修改都具有重要意义。     

波源对纵向模态导波在管道中传播的影响研究

针对波源对纵向模态导波在管道中传播的影响问题,建立改进的管道纵向模态导波半解析有限元(Semi-analytical finite element,SAFE)模型,相对先前的SAFE模型,实现纵向模态导波的单独计算求解,提高了计算效率。在此基础上,利用正交模态展开法建立波源对纵向模态导波在管道中传播影响的数学模型,分析数学模型可以看到纵向模态导波的幅值取决于导波的波结构和波源特性。为论证波源对纵向模态导波在管道中传播影响的数学模型,通过数值计算和试验方法,从相同波源激励的不同纵向模态导波之间的幅值关系和不同波源激励的同一模态导波之间的幅值关系两个方面开展研究工作。对比数值计算结果和试验结果,说明建立的波源对纵向模态导波在管道中传播影响的数学模型是可信的。研究结论为设计合适的导波传感器实现在管道中激励特定的纵向模态导波奠定了基础。     

基于时间反转的单通道管道导波检测新方法

针对现有时间反转导波检测中的多通道时间反转信号激励的问题,通过对时间反转传感器位置与检测信号之间关系的研究,提出一种利用传感器位置差异补偿时间反转激励信号时间差的时间反转信号错时激励方法.在此基础上,通过合理安排各传感器的轴向位置,并采用L(0,2)模态激发缺陷被动波源,可实现单通道的时间反转导波检测,有望解决现有多通道的时间反转检测方法中的瓶颈问题.数值模拟的结果还表明,增加传感器个数和增大时间反转信号截取窗宽均可达到提高缺陷的检出能力的目的.     

基于行波法分析轴向受力智能梁振动特性

应用行波法分析轴向受力的智能梁的横向振动特性。利用等效弹性模量理论,将表面对称分布压电材料的智能梁等效为非均质变截面梁。基于Timoshenko梁理论,将边界和变截面处理为间断节点模型,用该模型分析振动波在结构中的传播、反射和透射,并且给出行波在轴向受力梁中间断节点处的透射和反射矩阵。通过数值计算,给出受轴向力智能梁的动态特性。研究结果表明,行波法分析可用于精确计算轴向受力的智能梁的横向振动特性。     

基于磁致伸缩效应导波的数值模拟和实验研究

利用数值模拟和实验研究两种手段，从频散的角度分析了基于磁致伸缩效应的导波无损检测技术在圆管检测中的应用。参照数值计算结果，实验中采用不同频率激励纵向模态导波。通过实验对比发现，频率为f=20kHz左右时导波频散最小，且L（0，1）模态的导波适合用于管道检测。实验检测到的钢管不同孔径缺陷信号与数值模拟结果相吻合。