变化环境下的超声导波结构健康监测研究进展

超声导波结构健康监测(Structural health monitoring,SHM)在大规模板和管结构的缺陷诊断中是一个极具吸引力的检测技术。不同研究者均证实环境和操作条件变化,特别是温度和外加载荷变化会掩盖由缺陷引起的信号变化从而限制SHM系统的性能。分别就环境变化中温度和外加载荷对SHM系统中超声导波传播机理的影响进行综述:环境温度的变化会引起样本热膨胀系数和弹性模量的改变,进而影响超声导波在结构中的传播,且相比于超声纵向导波,横波对温度的敏感度较低;外加载荷对导波传播的影响主要体现在时移、幅值及相位的变化上。针对温度变化对导波结构健康监测造成的影响,详细阐述温度补偿法的研究进展,为更好地辨识由缺陷引起的变化和由周围环境引起的良性变化奠定理论基础,为后续超声导波SHM的研究指明方向。     

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。     

承压管道磁记忆检测缺陷信号量化数值研究

利用Ansys数值模拟软件,对含埋藏缺陷的承压管道进行磁记忆检测有限元模拟,分析磁记忆信号值在不同缺陷参数、不同应力状态下的变化规律.结果表明,磁记忆信号可以对管道埋藏型裂纹及气孔产生的应力集中进行表征,随着缺陷埋深的减小与内压载荷的增加,磁记忆信号变化幅度增大,法向梯度极值增加.通过法向和切向信号协同分析,可以实现对...     

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。     

基于超声导波技术对弯管中缺陷检测的实验研究

利用超声导波技术在弯管中进行了缺陷检测的实验研究.利用周向均布的长度伸缩型压电陶瓷片激励特定频率的纵向模态L(0,2),对90°弯管中的人工周向缺陷和结构缺陷等进行了检测,分析了周向缺陷尺寸的变化对缺陷回波和端面回波幅值大小的影响.对弯管中同时存在多个缺陷的情况进行了研究.实验结果表明,超声导波检测技术可以用于弯管中不同部位和不同类型的缺陷检测,这为利用超声导波对更加复杂的管道系统中缺陷检测作了有益探索.     

管道腐蚀缺陷超声导波检测数值模拟研究

简述管道导波检测理论基础.运用有限元分析法,对目前现场检测中应用的L(0,2)及T(0,1)模态导波在管中传播过程进行数值模拟研究.在模型的特定部位删除部分单元模拟腐蚀缺陷,分别对管一端加载轴向和切向瞬时位移载荷模拟L(0,2)模态和T(0,1)模态入射波,计算得到管道的瞬时动力学响应,对回波信号作频谱分析.计算结果表明,缺陷位置可以根据缺陷处回波信号到达时间和波速确定.给出缺陷回波反射系数与缺陷横截面积各影响因素之间的关系曲线,可以近似判定缺陷的几何尺寸.并提出以回波信号对缺陷横截面尺寸大小的综合灵敏度来检测、评价管道腐蚀缺陷的思路.     

基于纵向超声导波信号特性的管道损伤检测研究

通过对比充液管道与空管检测中纵向超声导波信号和频散曲线之间的差异,定量描述充液管道检测信号幅值衰减与群速度降低程度,由此得到充液管道所特有的纵向干扰模态及其频率相关性.分析结果表明,通过合理选择的激励信号,能有效调节并抑制该模态对损伤检测的干扰.此外,对比不同损伤程度下空管与充液管间缺陷反射信号幅值特征差异,得到充液管...     

管道导波检测中的位移圆周分布调制方法

在研究管道导波检测中的位移圆周分布调制聚焦技术时,将存在的缺陷看作一个新的导波源,提出通过截取阵列中各传感器获得的检测信号中的缺陷反射回波及转换模态波包信息,分析该波源造成的波场在检测位置的位移圆周分布,从而得到将检测能量重新聚焦于缺陷所在圆周任一位置所需要的各激励信号幅值系数和时间延迟参数.有限元分析及试验表明,应用该方法,不仅可以减少运用位移圆周分布调制聚焦技术检测时的计算量,还可以灵活地应对检测过程中管道参数、传感器阵列及检测频率的变化,有利于该方法的推广和应用.     

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。     

聚氨酯夹芯板发泡缺陷电磁超声导波快速检测

聚氨酯夹芯板在生产中因发泡不均容易在聚氨酯泡沫层形成空洞型缺陷,直接影响其保温效果,为此提出了一种从金属板外侧实施的电磁超声SH导波检测的快速检测方法。通过理论分析、解析推导、仿真计算和试验验证,建立了聚氨酯夹芯板中的SH导波透反射比系数与激励参数之间的关系,结果表明,当磁铁间距为4.5 mm时,控制SH0导波入射角度为75°,能够得到最佳的检测效果。同时也进一步验证了SH0导波接收信号幅值与缺陷面积、缺陷深度均基本上呈线性关系。在此基础上,提出了一种可应用于实际检测的缺陷当量大小评价方法。通过评价公式进行修正,可消除因收、发探头之间距离变化引起的缺陷信号评价波动问题,这对于后期实现缺陷定位具有较好的指导作用。     

面向超声导波检测的管道腐蚀建模及仿真实现

超声导波技术被大量应用于管道腐蚀的检测与评估。腐蚀是实际管道中的主要缺陷形式,管道腐蚀缺陷形貌多样且复杂,针对管道腐蚀导波检测的很多研究是通过仿真手段开展的。常用的缺陷简化模型不能充分反映实际腐蚀缺陷的复杂程度,有可能造成分析结果的偏差。本文在分析腐蚀特点基础上提出了基于W-M分形函数的腐蚀仿真模型,研究了管道腐蚀缺陷的有限元自动建模仿真方法,并通过分析讨论超声导波检测不同腐蚀缺陷的仿真结果对模型的有效性进行了验证,结果证明基于本文提出的腐蚀模型所得缺陷回波可提供更丰富的缺陷信息,有利于揭示管道腐蚀特征与导波信号之间的量化关系。本文的研究成果可为进一步分析管道腐蚀缺陷的检测评估建立理论基础。     

空心圆管中导波频散特性与检测频率选择

频散是长距离管道导波检测中影响检测频率选择的重要因素。通过分析空心圆管中纵向模态导波的频散特性,探讨导波检测常用模态L(0, 2)和L(0, 1)的频率选择问题。根据导波频散现象,建立缺陷回波分辨距离与激励信号参数间的量化关系,分析检测频率优化选择问题。以导波频散引起的信号分辨距离为依据,计算不同几何尺寸管道中L(0, 2)和L(0, 1)导波非频散段的限制频率。结果表明,限定或最小化缺陷回波分辨距离,可获得最佳的导波激励信号周期及检测频率或频段。随着管道几何尺寸变化,得到L(0, 2)和L(0, 1)导波频散特性变化的几个重要结论。当管道内径壁厚比不小于4时,L(0, 2)导波低限频率与管道直径的乘积约为4.0 MHz•mm,高限频率与壁厚的乘积约为1.06 MHz•mm。对于小口径管中的L(0, 1)导波,其高限频率与直径的乘积约为0.81 MHz•mm。这些简单的函数关系为管道检测时快速确定非频散段频率范围提供参考。     

超声导波管道缺陷检测有限元仿真参数优化

超声导波是近年来新兴的无损检测技术。相比传统的超声检测、漏磁检测,它可提供大范围、全面高效的检测,因此越来越受到关注,尤其是在管道检测方面。但超声导波的传播与反射特性复杂,因此利用有限元仿真指导实验设计并验证实验结果非常必要,而如何保证有限元模型的正确性是目前有限元仿真研究的一个重要问题。以时间子步为例,分析了仿真参数对超声导波检测管道缺陷仿真模型的影响,提出并定义多量化评估指标实现了仿真参数最优值的确定。根据仿真与实验结果的对比分析,验证了仿真参数优化的有效性。     

管道缺陷的超声导波检测研究

针对管道缺陷与超声导波交互的特点,为解决在管道超声导波检测中的缺陷定位困难、轴向尺寸无法量化等繁琐和耗时严重等问题,设计了自发自收和一发一收两种管道缺陷的超声导波检测平台,对特定环形缺陷进行管道超声导波检测进行了研究,探究了环形缺陷的轴向长度和径向深度对超声导波检测的影响。结果表明:采用自设计的超声导波检测平台可实现管道缺陷的定位检测及轴向尺寸定量检测,缺陷的轴向长度主要影响缺陷回波的形态,缺陷的径向深度主要影响回波的能量。     

基于非轴对称激励的管道裂纹时反导波检测研究

为解决目前管道导波时间反转检测方法需采用较多通道同步激励、接收的问题,在分析管中弯曲纵向模态簇导波激发特性的基础上,提出一种基于单一斜探头局部加载激励L(M,2)簇的时反检测方法。通过超声斜探头阵列和自行研制的时反激励/接收板卡验证该方法的可行性,并试验研究初始激励信号的类型、频率及时反窗宽等因素对管道裂纹时反检测效果的影响。结果表明,在不同检测频率,采用窄带和宽带信号进行初始激励,时反后相对时反前缺陷回波幅值均有较大提高,且回波信噪比也有较大改善,能明显区分出缺陷波包。     

超声导波对不同类型管道腐蚀检测的适用性研究

以超声导波检测技术理论为基础,结合压力管道实际腐蚀类型,对腐蚀检测进行了理论分析;介绍对一段压力管道进行超声导波检测试验情况,并对结果进行了分析。总结并用试验验证了超声导波检测技术适用的压力管道腐蚀类型。     

卷弹簧中超声导波传播特性及对缺陷症状的敏感性分析

卷弹簧作为重要的储能元件,是很多重要器件的关键功能件,为了确保器件在役功用,利用超声导波对卷弹簧缺陷进行检测。建立有限元模拟分析平台,研究了卷弹簧中超声导波的传播特性;利用该模拟分析平台设计并进行正交试验,深入研究了缺陷特征与导波检测回波的相互关系。结果表明:导波激励频率越高,导波在卷弹簧中衰减越快,信号幅值随传播距离的增大而减小;卷弹簧缺陷的径向深度、周向弧长和缺陷与轴向夹角3个缺陷症状中,径向深度对导波检测回波的影响最大,回波幅值随径向深度的变化呈规律性变化。研究结果为卷弹簧的超声导波检测装置的研制奠定了技术基础。     

管道导波时反聚焦检测系统的设计与实现

在分析管道中超声导波时反聚焦原理的基础上,设计并实现了一套适合激励压电换能器阵列,并对管道中超声导波能量在缺陷处进行时间-空间聚焦的时反聚焦检测系统.该系统实现的关键技术为:改进DDS( direct digital synthesis)结构,实现脉冲激励电路对时反特征信号进行合成发射;采用脉冲方式,实现小体积大输出功率的宽带线性功放电路;通过时反聚焦检测过程,实现管道中超声导波能量在缺陷处的时间-空间聚焦.采用该系统进行八通道时反聚焦检测实验,其结果表明,对于所用的含缺陷的管道而言,在特定的检测条件下,缺陷回波信号的幅值相对常规检测可提高246％,并且很好地抑制了导波的频散和多模态特性,提高了回波信号的信噪比.     

基于压电晶片阵列的管中导波时反检测方法研究

为提高超声导波技术对管中小缺陷的检测能力,提出一种采用窄带高压脉冲激发安装在管道外表面的压电晶片阵列实现管中导波时间反转检测的新方法。该方法采用窄带脉冲同时激励沿管道表面轴对称安装的压电晶片阵列,从各压电晶片接收到的反射回波中提取含L(n, 2)模态的缺陷信息进行时间反转,并用获得的时反波再次激励阵列中对应压电晶片,整个阵列将同时接收到较单一L(n, 2)模态信号。试验结果表明,该方法能较好地抑制导波的频散、多模态特性,提高缺陷回波信噪比,增加对小缺陷的检测能力。同时,时反前、后所检测到的管道端面和缺陷反射回波的导波模态几乎相同,可采用特定频率的L(0, 2)模态群速度作为时反后缺陷波包的传播速度;且时反后的幅值最大的缺陷波包能重构窄带初始激励信号幅值最大的波包,可有效增加缺陷波包的辨识能力。     

基于模态分析的厚壁管道周向导波检测的研究

厚壁管道中结构的不连续会改变周向导波的传播特性,从而影响对检测信号的判断,因而研究厚壁管道中周向导波传播特性以及缺陷对周向导波传播的影响是实现厚壁管道系统检测的基础。从厚壁管道的频散曲线出发,分析了厚壁管道周向导波频散曲线的不同特征,同时研究了入射角对厚壁管道检测性能的影响。在优化选取最优入射角度的情况下,利用小波分析结合数据拟合的方法研究了该角度下导波在厚壁管道中的模态转换特征,计算出周向导波在厚壁管道不同距离处的实际传播速度,区分出了导波的模态,并以此为基础在厚壁管中引入切槽缺陷,采用实验方法研究了缺陷大小对导波幅值、模态转换的影响规律。该研究为厚壁管道周向导波检测提供了参考。