基于非线性超声调制的疲劳裂纹识别方法

由于应力作用、撞击以及周期载荷等因素的影响,金属结构中不可避免地产生疲劳裂纹损伤。若结构存在边界非线性,传统的非线性调制方法将无法有效识别疲劳裂纹损伤。针对该问题,提出一种能够避免边界非线性干扰的非线性超声调制方法。该方法采用正弦脉冲信号和持续正弦信号作为激励,通过识别信号之间的非线性调制现象来进行损伤检测。分别以铝制裂纹梁和完整梁为实验对象,粘贴两个压电片作为作动器和传感器,利用短时傅里叶变换对响应信号进行时频分析,提取非线性调制信号成分,对疲劳裂纹损伤进行有效的识别。     

识别疲劳裂纹损伤的瞬时基准方法研究

传统的基于超声导波的结构健康监测及损伤识别方法是通过对比当前测量信号与结构完好时的基准信号进行损伤识别,但这类基准信号对工况及环境变化十分敏感。为降低对这类基准信号的依赖,提出了一种基于瞬时基准的疲劳裂纹损伤识别方法。利用疲劳裂纹在不同幅值激励下不同的超声非线性特性,以小幅值激励下结构响应为瞬时基准信号,以大幅值激励下结构响应为当前信号,使用比例相减法提取当前信号与瞬时基准信号间的差信号,对疲劳裂纹损伤进行识别。分别以完整铝梁及疲劳裂纹铝梁为实验对象,使用压电片激励和接收应力波信号。实验结果表明,该瞬时基准方法可有效识别疲劳裂纹损伤,而无需结构完好时的基准信号。     

金属结构裂纹损伤Lamb波定量化成像方法

引入环形压电阵列及主动Lamb波损伤概率检测成像算法（reconstruction algorithm for probabilistic inspection of damage，简称RAPID）监测技术对金属结构裂纹损伤的定量监测进行研究。基于裂纹损伤对响应信号直达波的作用机理，根据裂纹损伤对交叉监测路径下的响应信号变化差异性，提出十字交叉扫描方法判定裂纹方向，进而对平行或近似平行裂纹的监测路径的损伤差异性系数（signal difference coefficient，简称SDC）值进行校正，强化了裂纹方向的重构信息，完成了裂纹损伤的图像重构和定量化评估。针对不同位置及方向裂纹的监测和成像，在铝板上进行了实验验证。结果表明，提出的十字交叉扫描方法以及改进RAPID成像方法较好地识别了裂纹方向，能够定量显示裂纹长度。     

非金属管道损伤的非线性超声导波延时检测定位方法

由于超声导波难以准确检测非金属管道的早期损伤,本文提出了一种非线性超声导波延时方法对非金属管道结构损伤进行测试和定位。基于非线性超声调制机理分析了非金属管道损伤状态,使用同侧非线性超声的混频信号激励方式并根据超声导波传播速度的差异产生激励信号延时,然后在管道损伤处实现混频信号的非线性调制。采用HHT(Hilbert-HuangTransformation)提取混频延时信号的瞬时特征量,并通过分析非线性分量延时分组进行损伤区域检测,实现了对非金属管道裂纹损伤的定位。PVC(Ployninylchloride)非金属管道实验显示,无损伤状态下延时信号分组的标准化基准值为0.518 8;单裂纹状态下延时信号分组标准值为0.593 7,损伤定位相对误差为3.277%;双裂纹损伤状态下的标准化瞬时平均幅值为0.580 1与0.607 3,损伤定位值绝对误差小于4mm。相对于利用小波包络分解的非线性延时定位检测法,实验得到的单裂纹损伤准确度提高了36.4%。结果表明该方法能够对非金属管道裂纹损伤准确定位,并能够检测早期多裂纹损伤。     

基于非线性振动调制超声导波的悬臂梁结构的非线性损伤定位

提出了一种利用非线性振动调制超声导波的方法,实现了悬臂梁结构中非线性损伤定位（疲劳裂纹）。在该技术中,损坏的金属梁设计为悬臂梁结构,引入的磁铁系统用来控制悬臂结构的动力学响应,使模型呈现出非线性振动。结合非线性振动声调制技术和同步锁相解调技术,提取出由于疲劳裂纹引起的非线性响应,实现疲劳裂纹的定位。     

基于振动声调制的金属微裂纹定位方法研究

针对传统线性超声检测无法检测闭合微裂纹的问题,搭建了铝板的微裂纹振动声调制(VAM)检测系统,提取检测信号中的一阶旁瓣非线性信号和只滤除基波的全部非线性信号并对其时域反转,在ABAQUS有限元软件下,将其加载在铝板的无损模型上实现时间反转聚焦,获取铝板模型能量分布云图和各质点的位移信息,以此对微裂纹进行定位。结果表明,在时反信号的聚焦时刻原裂纹位置处有较强能量聚焦,只滤除基波的全部非线性信号聚焦效果优于一阶旁瓣非线性信号,振动声调制技术与时间反转方法结合能够实现对微裂纹的检测和定位。     

非线性振动声调制信号耦合特征分析

振动声调制(Vibro-acoustic modulation,VAM)是一种非线性无损检测方法,利用低频振动信号与高频超声波在结构损伤处产生调制现象来检测损伤.目前振动信号与超声波之间的耦合机理、损伤程度与调制强度的关联关系还不明确.以一块航空铝板为对象开展试验研究,通过对不同裂纹长度下的VAM信号进行AM-FM解调,从时频域分析振动信号与超声波是如何相互耦合的;研究激励参数和裂纹长度对VAM信号调制强度的影响.结果表明,当铝板中存在损伤时,振动信号与超声波之间既存在频率调制也存在幅值调制,调制波为振动信号的基波及各次谐波;VAM信号的调制强度受激励电压、铝板振动模态等因素的影响,与裂纹长度的关联关系并不是单调的,因此无法用于损伤程度的评估.根据非线性弹簧模型和影响VAM信号调幅特征的因素定义可用于损伤评估的相对指标,并进行验证.     

基于缺陷局部共振内调制机理的复合材料平板损伤识别

相比利用谐波和调制信号的非线性超声无损检测方法,损伤局部共振内调制效应可以大幅增强损伤界面间的非线性行为,且其利用激励频率与损伤局部共振频率间进行调制,输入信号得到简化。当激励信号满足特定的频率条件时,材料的缺陷和损伤局部在超声激励的作用下会产生共振,导致响应信号中出现幅值增强的倍频、超谐波、亚谐波以及激励频率与局部共振频率间的内调制现象。针对损伤局部共振效应构造单自由度非线性模型,并运用多尺度法进行分析,分别考虑平方、立方刚度非线性,推导局部共振内调制现象产生的机理。进行碳纤维复合材料板冲击损伤局部共振调制损伤识别实验分析,验证理论模型分析结果以及缺陷局部共振内调制非线性损伤检测方法的可行性。结果表明,利用缺陷局部共振内调制效应可以有效地识别复合材料板的冲击损伤。     

一种基于高频频响函数的无基准疲劳裂纹识别方法

传统的线性频响函数损伤识别方法依赖于与健康基准对比来识别损伤,限制了其应用范围。提出了一种基于非线性高频频响函数的无基准疲劳裂纹损伤识别方法。通过分析出现裂纹时损伤界面的非线性特征,提出利用不同幅值激励下高频频响函数不同的特性,在无基准情况下提取非线性频响成分,构造损伤指数表征非线性损伤,同时分析了不同频率段对疲劳裂纹的敏感程度。实验表明该方法可以在无基准情况下有效识别疲劳裂纹。     

基于十字形阵列和2D-MUSIC算法的Lamb波检测

采用由压电传感器组成的十字形阵列进行Lamb波信号的激励和接收,提出一种二维多重信号分类（2D-MUSIC）方法对铝板中的缺陷进行定位检测。选用合适的频率激励产生单一模态信号,可避免多模态的影响,降低Lamb波的频散;利用2D-MUSIC算法对接收信号进行分段处理,并结合反射信号和二维导向矢量对铝板中的缺陷进行定位。结果表明,提出的2D-MUSIC算法对铝板中的缺陷定位比传统MUSIC算法更精准。     

基于振动声调制的金属微裂纹检测方法

为克服传统线性超声无法检测微纳级宽度裂纹的缺点,开展了振动声调制法检测金属微裂纹的研究。用有限元分析软件ABAQUS开展了仿真研究,并验证了该方法的有效性,为实验参数设置提供了参考。搭建振动声调制检测系统,分析了不同长度微裂纹的调制特性,提出了基于振动声调制信号的信息熵定量表征方法。结果表明,存在微裂纹的铝板的振动声调制信号中的旁瓣信号明显,且检测信号的信息熵随裂纹长度单调增大,可作为振动声调制法检测微裂纹长度的特征参数。     

螺旋波纹管导波检测技术的数值仿真和试验研究

为对螺旋波纹管进行缺陷检测,研究纵向模态超声导波在螺旋波纹管中的传播特性。在Abaqus仿真软件平台中构建螺旋波纹管的计算模型,得到含有环向裂纹缺陷时的仿真结果。在此基础上,采用自主研制的电磁声换能器进行试验研究。试验所用的激励信号为经Hanning窗调制的20个振荡周期的正弦脉冲,中心频率为240 kHz,采用单一传感器在螺旋波纹管中激励和接收L(0, 2)模态导波,实现对螺旋波纹管中人工裂纹缺陷的识别,分析并计算缺陷位置测量不确定度。有限元仿真和试验结果表明,超声导波技术可以实现对螺旋波纹管裂纹缺陷的检测。     

螺栓松动损伤的亚谐波共振识别方法

螺栓松动将导致结构完整性的破坏,螺栓连接状态的实时有效监测和评估具有重大意义。提出了一种基于亚谐波共振分析的螺栓松动识别方法。针对螺栓连接结构简化的单自由度非线性模型,采用多尺度方法分析了亚谐波共振现象,定性模拟了螺栓松动损伤亚谐波激励条件。以铝梁螺栓搭接结构为实验对象,利用粘贴在铝梁表面的压电作动/传感单元,采用不同频率的激励信号作用在作动片上,传感片接收响应信号,对其进行频谱分析,通过提取响应频谱中的亚谐波成分进行螺栓松动损伤识别。仿真与实验结果表明,亚谐波产生所需激励频率在两倍固有频率附近,使用亚谐波检测方法能有效识别螺栓松动。     

环境湿度对铸铝合金超声疲劳裂纹扩展速率的影响研究

针对铸铝合金A356-T6开展了不同环境湿度下的超声疲劳裂纹扩展试验和实验室环境湿度下的常规疲劳裂纹扩展试验。由试验结果可知,超声疲劳在干空气环境中的疲劳裂纹扩展速率最低,而在蒸馏水环境中的疲劳裂纹扩展速率最高。常规疲劳在实验室环境中的疲劳裂纹扩展速率和超声疲劳在蒸馏水环境中的疲劳裂纹扩展速率几乎一致。针对Wei建立的环境湿度对铝合金材料疲劳裂纹扩展速率预测模型进行了修正,得到了铸铝合金A356-T6在任意环境湿度和试验频率下的疲劳裂纹扩展速率预测模型。     

电磁超声非线性效应表征的Lyapunov指数分析方法

针对金属疲劳损伤非线性效应非接触式检测需求及其低信噪比问题,提出电磁超声方案对非线性效应进行信号拾取,并采用Duffing混沌系统实现对金属疲劳程度定量评估,进而依据相轨图和Lyapunov指数表征材料疲劳演变非线性特性。采用有限元方法分析铝合金疲劳损伤演变过程,基于材料Murnaghan模型和微裂纹等效弹簧模型,研究疲劳损伤演变过程中相对非线性系数变化规律;进而探究Duffing混沌系统对于非线性效应特征提取的抗噪能力,当信噪比在20 dB时,相对非线性系数误差为132.12%,而Lyapunov指数误差为8.82%,因而Lyapunov指数较非线性系数而言有显著的抗噪能力;此外,基于对铝合金疲劳检测进行实验研究,验证了电磁超声非线性效应Lyapunov指数表征分析方法的可行性及准确性。研究结果表明,Lyapunov指数能够有效应对电磁超声非线性检测过程中低信噪比问题,从而提升非线性特征拾取的灵敏度和可重复性,进一步增强电磁超声等非接触式超声检测方法在疲劳在线检测演变的工程应用的贡献。     

微纳米级裂纹的非线性超声检测

为了实现对金属材料中微纳米级裂纹的超声检测,建立了非线性超声检测系统,研究了超声波与金属材料中裂纹的相互作用以及超声波的畸变效应.介绍了固体中普遍存在的超声非线性现象;以金属材料中的微纳米级裂纹为例研究了裂纹与超声波相互作用产生的畸变效应;在分析超声波产生畸变的基础上,描述了超声高次谐波振幅的测量方法.最后,以金属材料...