基于超声导波的压力容器健康监测Ⅱ:定位精度的影响因素

基于超声导波的压力容器健康监测研究的第二部分,主要考察影响压力容器损伤定位精度的因素。重点研究PZT压电片阵列形式、激发频率、缺陷位置及稀疏度对压力容器缺陷定位精度的影响规律。为分析既定试验阵型的稀疏度对压力容器封头和筒体缺陷定位精度的影响,提出降低入射波幅值来模拟导波在不同直径、轴长的压力容器中传播的方法,并试验验证该方法的可行性。研究结果表明,对于直径为325mm的压力容器封头,沿圆周均匀布置8片PZT压电片、顶点布置1片PZT的阵列形式的缺陷定位精度最高;当激发频率为210 kHz和220 kHz时,算法对压力容器封头的定位误差最小,有效比率最高;压力容器封头中缺陷的径向位置对定位精度影响很小,算法对位于传感器连线上的径向缺陷定位精度最高;试验结果与采用降低入射波幅值的方法对大直径、长轴压力容器的缺陷定位结果接近,当导波传播距离特征值所对应的A0导波幅值小于5时,传感器阵列过于稀疏而导致缺陷定位精度快速降低。     

基于超声导波的压力容器健康监测Ⅲ:纤维缠绕压力容器的在线监测

基于超声导波的压力容器健康监测研究的第三部分,主要考察所研究的健康监测技术在纤维缠绕压力容器损伤定位中的应用。开展纤维缠绕压力容器的疲劳和打压爆破试验,设计远程在线监测系统以实时获取不同工况中纤维缠绕压力容器损伤定位结果。在打压和疲劳试验过程中,采集压力容器在不同状态中的导波信号,并分别测量金属内胆和复合材料层的应变变化,建立导波幅值与压力容器疲劳状态和受压状态之间的关联。开展纤维缠绕压力容器在打压爆破过程中的损伤定位,研究疲劳对损伤定位精度的影响规律。结果表明,在疲劳试验中,应变片能够连续记录并反映压力容器的应变状态,但疲劳周期随残余应变的变化趋势不明显,而导波幅值随疲劳周次的增加而线性下降;对经过5 700周疲劳和未经过疲劳的纤维缠绕压力容器,导波幅值随着其内部压力的增加而线性下降,而应变值随着压力的增加线性增加,二者的对应关系可用于判定纤维缠绕压力容器的受压状态;利用所研发的在线监测系统可以远程获取纤维缠绕压力容器损伤位置信息,5700周的疲劳在很大程度上影响定位精度,而未经疲劳试验的压力容器的损伤定位误差较小。     

基于匹配追踪算法的超声导波管道轴向缺陷大小定量分析

超声导波技术因其单端激励、传播距离远,100%横截面检测等特点在长距离大范围结构的无损检测和健康监测中显示出良好的应用前景,但受制于理论及仪器技术目前基本只用于缺陷筛查,超声导波定量化检测技术尚未得到广泛研究和应用。针对导波检测中缺陷大小定量分析问题,提出一种基于匹配追踪算法的管道轴向缺陷大小定量分析方法。通过分析回波信号特性,合理选择字典分解出缺陷回波信号的两端面信号,并通过端面信号计算出轴向缺陷大小。通过有限元数值模拟以及利用MSGW磁致伸缩导波检测仪对人工刻伤的铝管进行算法验证试验,结果表明该算法的误差小于5%。     

边界散射对超声水平剪切导波成像检测的影响

超声水平剪切(Shear horizontal,SH)导波在工业在役板材成像检测和结构健康监测(Structural health monitoring,SHM)中有重要的应用价值。基于合成孔径聚焦方法,对钢板中人工缺陷用超声SH导波进行成像,对边界散射条件下的成像检测阵列信号进行分析,探讨了边界散射对超声SH导波成像检测的影响。研究结果表明,基于合成孔径聚焦的超声SH导波成像方法用于板材缺陷成像检测时,超声边界散射使成像信号双曲线阵列特征弱化,缺陷声波信号衰减增大,信号散射噪声增强,进而使成像清晰度降低,易导致漏检;同时边界散射会造成同一缺陷信号产生双峰或多峰,成像信号双曲线阵列特征紊乱,使成像发生畸变,会导致误检。这将为进一步改进工业在役大尺度板材超声导波成像质量与提高结构健康监测水平提供重要基础。     

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。     

高压容器筒体与封头连接区可靠性分析

建立了高压容器筒体与封头结构的有限元分析模型.采用蒙特卡罗法(Monte-Carlo Method),分析了输入随机变量对高压容器筒体与封头结构可靠性的影响.结果表明:工作压力对筒体与封头连接区可靠性的影响较大,是高压力容器筒体与封头结构失效的主要因素.     

温变工况下螺栓松动检测的独立成分分析方法

导波损伤检测技术的关键在于检测出结构损伤引起的导波信号变化,但环境温度变化也会影响导波传播过程,引起信号改变,导致损伤检测的失败。为了消除温度变化的影响,笔者采用独立成分分析(independent component analysis,简称ICA)方法处理导波响应信号。作为一种盲源分离的算法,ICA能够从混合信号中提取得到独立的未知源信号分量。因此利用ICA方法能将导波的响应源信号从被温度变化干扰的混合信号中分离出来,实现消除温度变化干扰的目的。为验证该方法的可行性,以螺栓连接铝板为对象进行实验,采集不同温度下螺栓全紧及松动状态的导波响应信号,将其经过ICA方法处理后应用到损伤定位算法中。结果表明,应用ICA处理后的导波信号能够成功定位松动螺栓,证实了ICA方法排除温度变化对导波传播影响的有效性。     

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。     

超声导波在圆管结构损伤定位中的应用

针对结构损伤会影响超声导波传播,提出基于超声导波无损检测的结构健康监测方法。以内径为174mm、外径为194mm、材料为20~#碳钢的圆管结构为例,根据频散方程利用数值法求解其纵向模态以及周向Lamb波频散曲线。同时考虑其频散曲线和波的结构,确定激励频率中心频率为80kHz。在此基础上进行有限元仿真,验证圆管中导波的传播机理及特征。针对此频率圆管纵向模态导波以及周向Lamb波的频散特性、波的结构比较接近,且都与板中的Lamb波相似,从而提出了单点激励、多点接收,并采用椭圆定位的方法,实现圆管结构损伤定位。通过仿真和实验验证该方法对切槽、圆孔等损伤的识别效果,并对损伤定位误差的影响因素进行了分析。     

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。     

频散补偿在导波缺陷形状辨识上的应用

针对超声导波具有的频散特性,导致导波缺陷检测信号波包在结构中传播时发生的展宽及衰减现象,研究了如何利用频散补偿技术对检测信号进行处理,将被频散特性淹没的缺陷信息再现,以实现缺陷形状的辨识问题.在进行实验验证的过程中,利用导波检测管道中的双槽形人工缺陷,通过改变端面加载的压电传感器位置,接收一组时域回波信号,根据波数-频率关系对导波传播过程中的频散进行补偿后,再现缺陷的形状特征.     

基于超声导波的高压电缆铝护套检测技术可行性研究

针对高压电缆铝护套在运行过程中易出现机械损伤及腐蚀失效的问题,通过建立高压电缆铝护套的简化模型并求解其频散方程获得了相应的频散曲线,从而对高压电缆铝护套中超声导波多模态、频散和衰减等传播特性进行了研究,提出了利用超声导波无损检测技术实现对高压电缆铝护套快速无损检测的方法,在理论分析和有限元仿真的基础上,使用超声导波检测仪对高压电缆铝护套进行了缺陷检测试验研究。研究结果表明:采用32 kHz的T(0,1)模态能够检测铝护套中截面损失在4.25%以上的裂纹缺陷,缺陷回波幅值随着缺陷增大而增大;理论分析、有限元仿真和检测试验验证了超声导波检测高压电缆铝护套缺陷的可行性。     

仿真驱动下的压力容器封底多损伤快速定位方法

面向大型压力容器特种设备的球形封底结构,传统的无损检测较难完成在役大型储底部的在线损伤检测。压电陶瓷传感器（PZT）能够同时激发和接收Lamb波实现大面积区域的损伤检测。文章利用压电陶瓷传感器构造了均匀圆心阵列,并提出了一种仿真数据驱动的压力容器球形封底多损伤快速定位方法。首先,对在半球形封底结构模型上建立阵列Lamb波信号的传播模型,利用阵列导向矢量构造圆心阵列稀疏特征;其次,在ABAQUS有限元软件中建立压力容器封底有限元分析模型,获取虚拟阵列稀疏特征库;最后,将损伤信号的阵列转向向量与虚拟阵列稀疏特征库进行相似性比较,通过损伤成像快速确定损伤信号的位置。数值和实验结果都验证了基于虚拟阵列稀疏特征建模的多损伤定位方法能够有效地监测轴对称结构,且精度较高。     

金属小径管损伤电磁超声导波检测的高效混合仿真方法及导波换能器可行性研究

金属小径管广泛应用于航空航天、化工等工程领域关键结构中,对其进行定期无损检测至关重要。作为一种先进电磁无损检测方法,电磁超声导波检测在金属小径管损伤定量评估中具有优势。目前,金属管道缺陷电磁超声导波检测的仿真主要采用有限元等数值模拟方法,涉及电磁场和结构场计算。然而,电磁超声导波检测通常采用激励电流的频率为几百千赫兹,在管道中激发的涡流趋肤深度极小,导致仿真需大量网格进行求解域剖分以确保仿真精度,检测信号计算时间较长。鉴于此,提出一种集成解析法和有限元法的金属小径管缺陷电磁超声导波检测混合仿真方法,采用解析法求解电磁场相关场量,将所求洛伦兹力导入有限元仿真中求解结构场,实现电磁场量和结构场量的快速计算,高效求取检测信号,对金属小径管缺陷定位时,精度高达约98%。在通过全有限元仿真验证所提混合仿真方法正确性的基础上,结合系列仿真和试验研究,对所提导波换能器激发的超声导波模态进行了识别,对该换能器在金属小径管损伤检测和定位方面进行了可行性验证。     

基于反褶积与编码激励的长输管道损伤检测

制约应力波导波技术应用于长输管道损伤检测的两个主要原因是信号处理技术和导波激励技术,针对应力波频散效应和外界噪声干扰使得管道损伤检测定位精度低的问题,采用了基于子波估计的反褶积技术处理管道导波测量数据。数值模拟和试验结果均表明,该方法可以有效地抑制导波频散,提高了管道损伤检测的定位精度。针对单一激励能量有限、检测信号的信噪比低等问题,采用了编码激励技术,设计了两种不同的编码激励信号,并将其应用到管道纵向导波传播模型中。数值模拟结果表明,编码激励技术能够有效地提高管道损伤检测的抗干扰能力和分辨率。     

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。     

相控阵超声技术在反应堆压力容器缺陷处理中的应用

某核电厂反应堆压力容器役前检查阶段检测出的超标缺陷需进行返修处理,因缺陷位置特殊,常规手动超声难以实现缺陷消除过程中的动态监测。通过介绍相控阵超声主要特点,介绍相控阵超声监测工艺及技术要点,并分析方案存在的不足。实践证明,相控阵超声监测技术在结构复杂设备上具有较高的缺陷定位精度和检测灵敏度,可为类似设备缺陷消除提供有效的在线监测手段。     

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。     

超声导波相移追踪的回波辨识方法

超声导波的多模式和频散特性使得其回波分析与定位异常复杂,在导波传播的模型解析的基础上,提出了一种基于频率相位追踪的回波辨识方法。首先,选取指定模式的直接散射信号的频域相位作为参考相位,将被分析信号各个波包的频域相位用参考相位进行归一化处理,得到各个波包相对参考波包传播距离的归一化阶次;然后,结合回波信号的传播路径分析,达到对各个波包定位辨识的目的。数值仿真和实验也验证了该方法的可行性和有效性。     

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。