磁致伸缩效应在圆管中激励纵向导波的理论和试验研究

分析了导波在圆管中传播的模态,探讨了在圆管中激励纵向导波的磁致伸缩作用力模型。纵向导波由平行于圆管轴向的磁致伸缩力的作用而产生,磁致伸缩力除与被检测材料的特性有关外,主要取决于设置的静态偏置磁场和交变磁场的耦合作用。根据该模型设计了在圆管中激励纵向导波的磁致伸缩传感器,试验中获得了纵向导波,并通过磁致伸缩传感器对圆管分别作用不同的静态偏置磁场和交变磁场,试验研究两者对激励的纵向导波的影响。结果表明：作用于圆管上的静态偏置磁场与激励的纵向导波幅值呈抛物线关系,在低偏置磁场作用下,纵向导波幅值随着偏置磁场的增加而增大,在高偏置磁场作用下,纵向导波幅值随着偏置磁场的增加反而减小。导波在圆管中传播时,存在多模式和频散特性,交变磁场大小与激励的纵向导波幅值之间呈非线性关系。     

土壤声学特性的超声导波测量

土壤的声学特性对地埋管道中超声导波传播有重要的影响。在空气和地埋情况下,通过典型波导(细钢杆)的超声导波检测试验的方法来测量土壤声学特性。基于超声波的衰减特性,通过将试验获得的杆中L(0,1)模态导波的衰减曲线,与理论衰减曲线进行比对的方法,得到土壤的声学特性参数—纵波和横波波速。在该土壤声学特性条件下,研究土壤对管道中超声导波传播影响。研究发现,此种土壤介质对管道中超声导波传播有很大影响,在低频处产生了新的轴对称模态：a1和a2。     

基于电磁超声换能器阵列的管道螺旋导波传播规律研究

螺旋导波因在管道超声导波层析成像中的巨大应用价值,近年来受到研究者们的重视。阐述管道螺旋导波的激发/接收条件、传播路径和波前形状等规律。建立FE模型,研究由圆环波前S₀模态兰姆波在管道上形成螺旋导波的过程。组建了双环24阵元的电磁超声换能器阵列及试验系统,170 kHz下激发圆环波前S₀模态兰姆波在管道中产生螺旋导波,试验研究了激励源所在圆周及管段上的波动场信号特征。仿真和试验结果表明,管道螺旋导波实质上是兰姆波在曲面上的传播形态,可由管道某处点源激发兰姆波产生,主要存在于波动场的近场。由于管道结构的封闭性,兰姆波的波前在管道上反复交叉前行,形成了螺旋传播路径。从波源到管道上任意一点的螺旋导波传播路径有无数条,各阶螺旋角不连续。利用螺旋导波进行管段检测提供了缺陷的多角度入射信息,对缺陷高分辨率检测具有重要意义。     

超声导波在管中传播的理论分析与试验研究

采用分布式PZT传感器在管中激励和接收超声导波。根据在管状波导中传播的超声波具有频散现象及多模态特征,选择具有单一频率的特定信号激励超声波,使其频散最小;同时采用分布式传感器抑制不同模态的波型。其试验结果与理论预测相吻合。     

往复泵输液管道结构振动有限元法分析

泵的往复运动导致输液管道受多频率谐波激励。用有限元方法,建立管网系统结构振动分析模型,求得固有频率和振型分布,给出有工程实用价值的管道减振、消振的设计原则。     

厚梁结构中的超声导波传播与损伤识别

基于导波的结构健康监测技术研究中,结构厚度与不同损伤形式对导波传播特性的影响是该技术在工程应用中对实际结构进行损伤识别的关键。通过导波在厚梁结构中传播时所表现出的特性,分析并试验研究损伤对导波传播的影响。通过在结构中引入切槽损伤,理论分析与试验研究导波在有损结构中的传播特性。以此为基础,重点研究疲劳裂纹损伤。试验得出导波在厚梁结构中的实际传播速度,并由此分析损伤反射波中的波包成分,研究并总结损伤大小对导波幅值、相位和到达时间的影响规律。分别对结构中的对称和非对称损伤进行研究,验证具有非对称损伤结构中模式转换波包的存在,分析模式转换波包的形成与传播机理,研究不同的非对称损伤对模式转换波包形式的影响。此外,还介绍了试验试件和疲劳裂纹的加工过程。总结了切槽损伤与疲劳裂纹损伤对导波传播的不同影响。     

管道导波无损检测频率选择与管材特征关系

选取合适的导波激励频率在导波无损检测工程应用中具有重要实用意义。分别讨论L(0,1)和L(0, 2)模态导波在管道中存在截止频率现象,给出相应截止频率计算公式,并研究L(0,1)和L(0, 2)导波截止频率分别随管道直径和壁厚变化关系。通过选择不同的激励频率,对一给定的钢管进行试验检测。结果表明：随着管道直径的增大,L(0,1)导波低通截止频率和L(0, 2)导波高通截止频率都随之减小;随着管道壁厚的增大,L(0,1)导波低通截止频率和L(0, 2)导波高通截止频率开始时都随之增大,但增大的幅度慢慢变小,当管径达到一定值时,两者的截止频率与管道的壁厚变化无关;管道导波检测激励频率选择的理论计算和试验结果相互一致。     

Generation and propagation of elastic waves on a pipe by open-shell transducers

This paper deals with the generation and propagation of elastic waves on an empty pipe and on a water-filled pipe by open-shell transducers theoretically, numerically, and experimentally. The dispersion equations relating wave speed to frequency were derived by using the cylindrical shell theory. The theoretical analysis was verified by comparing the calculated dispersion curves with the frequencywavenumber spectrums obtained from the finite-element analysis and by comparing the calculated wave speeds with the results measured by using open-shell transducers as transmitters and receivers. The finite-element analysis revealed that the waves of only evennumbered wave modes were generated by the open-shell transducers symmetrically located along the circumference of the pipe and that the axisymmetric wave propagates faster than non-axisymmetric waves.     

超声导波在H型钢结构损伤识别中的应用

针对H型钢在损伤情况下对超声导波的影响,提出基于超声导波的结构健康监测方法,并探讨了应用超声导波检测技术在H型钢中对结构损伤识别的可行性及其识别能力。采用中心频率为87.5kHz的波形为汉宁窗调幅3.5个周期正弦曲线作为激励波形,应用商业有限元软件ABAQUS对导波在H型钢构件中的传播进行了仿真,同时对无损伤以及有损伤的仿真模型进行实验验证。实验中利用压电材料锆钛酸铝(piezoelectric lead zirconate titanate,简称PZT)换能器来激发和接收在H型钢中传播的导波信号,借助于Morlet小波时频分析等方法对仿真和实验采集到的信号进行处理,并比较实验结果与仿真结果的吻合度。最后分析H型钢中损伤的大小等因素对损伤识别的影响,以及超声导波在H型钢中的损伤识别能力。     

Excitation and detection of shear horizontal waves with electromagnetic acoustic transducers for nondestructive testing of plates

The fundamental shear horizontal（SH0） wave has several unique features that are attractive for long-range nondestructive testing（NDT）. By a careful design of the geometric configuration, electromagnetic acoustic transducers（EMATs） have the capability to generate a wide range of guided wave modes, such as Lamb waves and shear-horizontal（SH） waves in plates. However, the performance of EMATs is influenced by their parameters. To evaluate the performance of periodic permanent magnet（PPM） EMATs, a distributed-line-source model is developed to calculate the angular acoustic field cross-section in the far-field. Numerical analysis is conducted to investigate the performance of such EMATs with different geometric parameters, such as period and number of magnet arrays, and inner and outer coil widths. Such parameters have a great influence on the directivity of the generated SH0 waves that arises mainly in the amplitude and width of both main and side lobes. According to the numerical analysis, these parameters are optimized to obtain better directivity. Optimized PPM EMATs are designed and used for NDT of strip plates. Experimental results show that the lateral boundary of the strip plate has no perceivable influence on SHO-wave propagation, thus validating their used in NDT. The proposed model predicts the radiation pattern ofPPM EMATs, and can be used for their parameter optimization.     

Profiled polymer pipes as re-usable energy absorption elements

The deformation of double-skin profiled polyethylene pipes under axial and lateral load is studied. The load–displacement relationship and specific energy of such pipes were measured under single and repeated loading. The effect of repeating load was observed and discussed. The results show that the visco-elastic nature of the material as well as the periodic axisymmetric profile of the outer skin make this type of pipes a good candidate for re-usable energy absorption devices.     

Factors affecting attenuation of torsional waves in pipes loaded on contact viscoelastic media

Results of theoretical and experimental studies of the attenuation of torsional waves in pipes depending on the conditions of loading on viscoelastic media, pipe dimensions, and excitation frequency are presented. The results can be used for justification of pipe testing parameters such as insonification range and sensitivity when developing guided-wave techniques for pipelines of different sizes under various service conditions.     

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。     

超声导波检测技术的发展、应用与挑战

回顾了近三十年的超声导波技术发展及应用,阐述了导波的频散现象及其求解方法,深入分析了导波激励的力学加载原理和模态选择原则。论述了导波的传感激励方法与装置,并比较了各种激励接收方法的特点与应用场合。对超声导波在板类、管类和复合材料中的应用进行了评述,并从提高缺陷检测能力的角度,介绍了时间反转法和相控阵法在超声导波技术中的应用。最后总结了当前导波技术面临的机遇与挑战。     

基于PWAS的层合板导波传播特性和损伤响应FEM分析及试验验证

导波无损检测（Non-Destructive Testing, NDT）技术由于适用范围广、检测速度快等优势,已成为结构安全性检测的重要技术手段之一。不过,导波在各向异性介质中的传播表现为频散特性与波传播方向的关联性、多模态特性与各向异性的相互作用以及不同模态与损伤的相互作用。导波在复合材料无损检测应用中的复杂性对检测技术和检测方法提出了更高的要求,所以对碳纤维复合材料层合板中的导波传播特性和损伤响应进行分析具有十分重要的意义。文中采用理论分析、仿真和试验相结合的方法,对不同碳纤维增强聚合物基（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）层合板中的导波传播特性和各模态波与损伤的相互作用进行了分析。首先根据群速度、波长等参数建立有限元模型,并在边界设置阻尼递增吸收区域来弱化边界反射波的干扰;然后分析基于压电晶片有源传感器（Piezoelectric Wafer active Sensors, PWAS）的不同层合板中导波传播差异,之后在结构中引入损伤来分析不同模态波与不同损伤的相互作用;最后通过试验分析和验证有限元仿真的准确性。     

Computerized Magnetic Testing of Oil Pipes

The design and underlying principles of a new system of the magnetic testing of oil pipes based on anisotropic magnetoresistive transducers are considered.     

顶驱中心管螺纹力学行为模拟及优化研究

针对顶驱中心管螺纹粘扣、断裂等问题，基于弹塑性理论、von Mises屈服准则以及中心管材料本构模型试验研究结果,建立了扭矩作用下的二维、三维有限元模型，并通过实验结果与数值模拟结果验证有限元分析的可靠性，对比二维、三维的分析结果验证二维轴对称模型方法的可靠性，获得了中心管螺纹接头的应力分布规律和力学特性，指出紧扣扭矩对螺纹连接强度影响极大。在此基础上，结合现场失效的螺纹接头，对螺纹锥度、螺距以及有效螺纹牙长度3个参量进行敏感性分析，综合考虑连接强度以及生产成本推荐了参量最优值。     

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LS—DYNA的轴压不锈钢管屈曲分析

以显式有限元分析为理论基础，利用显式有限元程序ANSYS／LS—DYNA对不锈钢管轴向冲击屈曲过程进行了计算机仿真分析，并利用“能量迭代法”得到了结构屈曲模式由轴对称转换为非轴对称的第二临界速度，为在研项目中关键零部件的设计提供了仿真分析和数据参考，指导了零部件的设计与优化。     

DETECTION OF LONGITUDINAL DEFECT IN PIPES USING TORSIONAL MODES

The multi-modes and disperse characteristics of torsional modes in pipes are investigated theoretically and experimentally. At all frequencies, both phase velocity and group velocity of the lowest torsional mode T(0,1) are constant and equal to shear wave velocity. T(0.1) mode at all frequencies is the fastest torsional mode. In the experiments, T(0,1) mode is excited and received in pipes using 9 thickness shear vibration mode piezoelectric ceramic elements. Furthermore, an artificial longitudinal defect of a 4 m long pipe is detected using T(0,1) mode at 50 kHz. Experimental results show that it is feasible for longitudinal defect detection in pipes using T(0,1) mode of ultrasonic guided waves.