利用Lamb波的铝板损伤识别实验研究

由于各种外界以及内在因素,薄板结构在使用过程中会随着时间的积累发生各种类型的损伤。如何准确的找出薄板中损伤存在的位置以及判断薄板损伤的类型是个重要的课题。以纯铝板作为实验对象,以压电陶瓷作为Lamb波的发射端与接收端,采用同步触发装置以及小波变换法确定信号到达接收端PZT的时间,通过Lamb波的频散曲线来确定Lamb波的群速度,然后对采集到的信号进行小波变换滤波处理,通过健康状态、凹槽损伤状态、圆孔损伤状态响应信号时域图的对比分析来判断出薄板的损伤模式。实验结果表明应用Lamb波的主动检测技术能够有效的监测出铝板的损伤状态。     

核密度估计法在板件概率损伤识别中的应用

基于谱元法将核密度估计方法用于解决结构的损伤识别,从而得到了损伤位置的概率密度函数。通过建立压电-结构耦合的三维谱元法模型,模拟Lamb波在铝板完好及损伤结构中的传播过程。利用连续小波变换计算响应信号在传感器之间的飞行时间,得到Lamb波在结构中的传播速度。通过对Rayleigh-Lamb方程的数值分析,得到Lamb波的理论传播速度,并将其与谱元法得到的结果进行对比,证实了谱元法模型的准确性。在椭圆定位技术的基础上,考虑环境不确定性对测量信号的影响,引入核密度估计方法将损伤位置识别转化为一种概率性问题。讨论了3种噪声水平情况下的损伤位置的概率密度函数,并给出了最终识别的结果。结果表明,核密度估计方法能够有效地识别出损伤位置,最大误差在5%左右。     

利用Lamb波检测垢层厚度的数值分析

针对锅炉垢层厚度检测的问题,提出一种通过Lamb波的频散特性检测垢层厚度的方法。首先,建立Lamb波在铝板-垢层双层弹性结构中的波动模型,利用半解析有限元法求解Lamb波的特征方程,绘制Lamb波的频散曲线。其次,建立铝板-垢层二维电磁超声仿真模型,通过电磁超声换能器在铝板中激发S0模态的Lamb波,得到不同采集点下的波形曲线。最后,通过对频散曲线和波形曲线的分析得知,随着垢层厚度的增加,低频S0模态Lamb波群速度变慢,高频S0模态Lamb波群速度变快,信号波群的幅值减小。结果表明,可利用S0模态Lamb波群速度变化及幅值变化进行锅炉垢层厚度检测。     

空气耦合Lamb波在单晶硅中的传播特性和缺陷检测研究

单晶硅是制造硅太阳能电池的主要材料之一,但其中的各类缺陷对其光电转换效率影响颇大。针对这些问题,采用空气耦合Lamb波检测方法对单晶硅产品的质量进行快速评价。理论计算Lamb波在各向异性的单晶硅中的频散曲线,得到Lamb波在不同方向上的理论速度分布;利用空气耦合超声传感器在(001)晶面的单晶硅中激励出A0模态的Lamb波,研究200 k Hz频率下Lamb波的入射角度与信号幅值的关系,确定最优入射角度为13°。采用相位谱的方法计算A0模态的相速度,试验结果与理论值吻合良好。利用波包幅值法和相关函数法分别计算A0模态的群速度,结果说明相关函数法测得的群速度与理论值误差更小;采用扫描方法对单晶硅进行缺陷检测,通过计算接收信号与参考信号的相关系数,确定出缺陷的位置和大小。     

基于单激发端多接收端压电阵列的板内损伤检测

基于超声导波技术研究了板状结构的损伤检测。理论分析了平板中Lamb波的传播特点;利用有限元耦合场模拟方法模拟了平板中Lamb波的传播及裂纹对Lamb波的影响;根据有限元模拟结果,分析了裂纹尺寸对Lamb波传播的影响;为检测损伤的位置,建立了单激发端多接收端的压电阵列;结合概率成像算法,建立了损伤分布场,该分布场的成像结果直观地反映了损伤的位置和严重程度。     

Lamb波时间反转分解损伤识别方法研究

基于主动Lamb波的结构健康监测和损伤检测是目前研究的热点之一。时间反转分解方法利用发射-接收阵列可以选择性地分别聚焦定位各个散射体.由于Lamb波传播的频散和多模式特性,导致了Lamb波时间反转传递矩阵的不对称性。基于压电激励Lamb波传播过程,分析研究了Lamb波时间反转传递矩阵显著特征值数目与散射体数目的关系,进行了Lamb波传播与损伤检测的实验研究,利用Lamb波A0和S0模式传播解析解数值反向传播,定位板中各个散射体。实验结果表明了Lamb波时间反转分解损伤识别方法的有效性,能够有效识别并定位结构损伤。     

Lamb波时间反转分解损伤识别方法研究

基于主动Lamb波的结构健康监测和损伤检测是目前研究的热点之一。时间反转分解方法利用发射-接收阵列可以选择性地分别聚焦定位各个散射体.由于Lamb波传播的频散和多模式特性,导致了Lamb波时间反转传递矩阵的不对称性。基于压电激励Lamb波传播过程,分析研究了Lamb波时间反转传递矩阵显著特征值数目与散射体数目的关系,进行了Lamb波传播与损伤检测的实验研究,利用Lamb波A0和S0模式传播解析解数值反向传播,定位板中各个散射体。实验结果表明了Lamb波时间反转分解损伤识别方法的有效性,能够有效识别并定位结构损伤。     

基于Lamb波时间反转的复合材料结构损伤监测

采用Lamb波时间反转法,对复合材料结构进行在线连续健康监测。利用板中Lamb波时间反转法的原理和自聚焦特点,运用时间反转方法,通过传感器网络的布置,激励并接收Lamb波,从而对复合材料结构实现损伤监测。该方法无需结构无损情况的基准信号,能够对有损结构进行快速的损伤定位及损伤大小判断。采用改进的RAPID算法进行损伤成像,得到的损伤图像可将损伤情况可视化。实验研究表明所提方法可行和有效。     

无基准Lamb波时间反转损伤概率成像监测方法

根据损伤散射信息进行结构损伤特征参数提取与损伤监测,是Lamb波结构健康监测研究中的最为有效的方法之一,而目前常用的有基准差信号提取损伤散射信号技术在应用中存在实用性差的问题.采用Lamb波时间反转聚焦原理,结合损伤概率思想,提出了无基准损伤概率成像监测方法.利用信号时间反转处理对波源的自适应聚焦机理,消除Lamb波的频散效应;并根据单模式Lamb波响应信号的各波包在时反聚焦信号中的相对时刻,提取损伤散射信号的传播时间,以此计算出结构中各点出现的损伤概率,从而实现对损伤的成像、定位和监测.在金属铝板结构上的实验表明,该方法可在无需基准信号的情况下,较为清晰地分离出损伤散射信号和信息,得到结构各点的损伤概率图像,有助于结构健康监测的实用化.     

板中Lamb波激励响应计算方法

采用基于半解析有限元的激励响应计算方法来求解薄板中Lamb波的激励响应结果,替代常规的实验方法,实现对薄板中Lamb波传播特性的仿真分析。与三维有限元仿真方法相比,采用激励响应计算方法仿真导波在波导介质中的传播过程可以节省计算量,提高效率。通过求解薄板中Lamb波的一般均质方程,基于频谱叠加原理,可以计算薄板中Lamb波激励响应结果。分别提取激励响应计算结果和实验测量数据,通过小波分析计算两种数据的Lamb波群速度。经验证,激励响应仿真计算结果与实验数据有很好的一致性,通过群速度频散曲线对比两种方法获取的数据,模态分析结论一致。激励响应计算方法还可以仿真计算任意截面波导介质中导波的传播过程,具有较好的通用性。     

基于频散补偿与路径-波速映射的损伤成像

现有损伤成像算法应用于真实复杂的航空结构时,由于结构的各向异性、复杂边界反射以及导波自身频散特性的影响,成像效果往往较差,应用时误差较大,甚至不能成像。针对上述问题,提出了一种基于频散补偿与路径-波速映射的结构损伤成像方法,首先针对各向异性影响下的结构实现损伤散射波包的频散补偿,以优化导波幅值特征,其次基于路径-波速映射法解决各向异性所带来的导波时差获取误差大的问题。所提方法在含有加筋和开口的复合材料结构上进行了验证,结果显示损伤成像的准确率得到了明显优化。     

Experimental verification of the interface wave method to detect interlaminar damage of a metal multilayer structure

The interface wave traveling along the boundary of two materials has been studied for nearly a century. However, experiments, engineering applications, and interface wave applications to the non-destructive inspection of interlaminar composite have developed slowly. In this research, an experiment that applies Stoneley waves (a type of interfacial wave between two solid half-spaces) is implemented to detect the damage in a multilayer structure. The feasibility of this method is also verified. First, the wave velocity and wave structure of Stoneley waves at a perfectly bonded aluminum-steel interface are obtained by solving the Stoneley wave dispersion equation of two elastic half-spaces. Thereafter, an experiment is conducted to measure the Stoneley wave velocity of an aluminum-steel laminated beam and to locate interlaminar cracks by referring to the Stoneley wave velocity and echo wave time. Results indicate that the location error is less than 2%. Therefore, Stoneley waves show great potential as a non-destructive inspection method of a multilayer structure.     

基于小波分析的声发射源定位技术

声发射全波形采集技术为基于波形分析的声源定位方法提供了可能。在板状构件中声波的传播模式较为复杂,且不同模式的波到达时间和波速均不相同,从而带来了声源定位误差。将时频幅度分析方法引入声发射源定位技术：从接收到的信号中提取出某一频率的柔性波随时间变化的规律,在理论分析的基础上证明,这个分离信号的最大幅值点所对应的时间就是该频率柔性波群速度的到达时间。根据这个到达时间,以及实际测量出的群速度就可以实现声发射源更精确的定位,试验结果也证明了这种方法的可靠性。     

基于激光超声体波的轨头内部缺陷检测方法研究

激光超声检测技术具有非接触、宽带宽和高分辨率的特点,针对常规超声对钢轨轨头内部核伤微小缺陷不敏感、定位定量检测难的问题,本文基于激光超声体波散射和衍射原理,提出了模态转换反射波和衍射波飞行时间的缺陷定位定量检测计算模型。通过COMSOL仿真建立了超声体波与内部缺陷相互作用的二维有限元模型,分析了钢轨内部缺陷处超声体波波模式转换状态,验证了定位及定量方法的可行性。其次,搭建了固定扫查激光超声实验检测系统,对不同埋藏深度和不同直径的孔缺陷进行B扫实验。实验结果表明,激光超声检测技术能有效的检测钢轨内部微小孔缺陷,基于所提出的计算模型和检测方法,对钢轨内部缺陷检测的定位相对误差在6%之内,定量相对误差在9%之内。     

基于分级概率成像的大电机定子绝缘损伤识别

为了正确评估大电机定子绝缘老化程度,提出了一种基于导波复合特征的分级概率成像损伤检测方法。通过提取损伤前后Lamb波信号之间的相关系数,利用全局概率成像初步获取绝缘损伤的分布区域和损伤程度。通过提取Lamb波散射信号波包传播时间和峰值特征,采用局部概率成像方法进一步表征损伤的局部特征。通过对两种损伤概率成像结果进行图像融合获得定子绝缘损伤识别结果。最后,对不同的典型绝缘损伤进行了损伤检测实验。结果表明:利用复合特征和分级概率成像方法可以识别出定子绝缘损伤位置和损伤程度,能够为大电机定子绝缘故障诊断提供更加有效的参考信息。     

基于二维寻优的核电站松动件定位分析

为快速、准确地估算出核电站一回路松脱零部件的碰撞位置,提出了一种基于二维寻优的松动件定位方法。根据各个传感器与松动件碰撞位置关系,建立松动件定位分析模型,将松动件定位问题转化为一个二维寻优问题;采用遗传算法进行寻优,实现松动件的位置估计。该方法避免了波速测量误差对定位精度的影响,提高了估算精度。分别用提出方法与三角形定位法和扫描定位法处理松动件碰撞模拟实验数据,对比分析定位误差和计算耗时表明,所提出的方法具有更高的定位精度和计算效率。     

基于缩短故障定位及抢修时间的决策方法研究

电网故障定位及抢修对电力系统来说一项极为艰巨的任务，为了有效提高电网供电可靠性，需要提高故障定位及抢修的时间及效率。本文以影响电网故障抢修的几方面因素为出发点，通过对影响电网故障抢修的主要因素进行分析，提出了相关电网故障定位及抢修时间的主要技术手段，并提出了基于故障行波传输路径及分支判定矩阵的电网故障定位方法，并通过以某城市实际电网系统的真实故障为例进行计算，根据本文提出方法计算获得的故障定位结果与实际相差较小，验证了本文所提方法的有效性及可行性。     

A Stoneley wave method to detect interlaminar damage of metal layer composite pipe

The interlaminar defect is a major form of damage in metal layer composite pipes which are widely used in petroleum and chemical industry. In this paper, a Stoneley wave method is presented to detect interlaminar damage in laminated pipe structure. Stoneley wave possesses some good characteristics, such as high energy and large displacement at the interface and non-dispersive in the high-frequency, so the sensitivity of detecting interlaminar damage can be improved and the higher frequency can be used in damage detection compared with Lamb waves. Additionally, as the frequency increases, the wavelength of the Stoneley wave reduces. Thus, its ability to detect small defects at the interface is enhanced. Finite element model of metal layer composite pipe with interlaminar damage is used to simulate wave propagation of Lamb waves and Stoneley wave, respectively. The damage location is calculated by using the Stoneley wave signal obtained from finite element model, and then the results are compared with the actual damage locations. The simulation examples demonstrate that the Stoneley wave method can better identify the interlaminar damage in laminated pipe structure compared with Lamb waves.     

考虑重力影响的索结构损伤行波识别法

因索中某几股断裂而导致索等效截面减小是索结构常见的损伤模式。文中分析此损伤模式下索受扰动后的行波响应，提出重力场中索结构损伤的行波识别法。该方法由索上一点的实测响应数据，根据入射波和反射波到达该点的时间确定损伤位置，根据入射波和反射波的信号能量比及能量的时域分布确定损伤程度和损伤段宽度。为适应现场有噪声测试数据的影响，应用多分辨率分析理论，以Daubechies小波分解行波响应信号，对信号去噪并作出白噪声情况下损伤识别方法的误差估计。仿真结果表明，该方法可采用噪声污染响应信号对重力场中索结构的损伤进行准确的估计，适合小损伤情况下索结构的损伤识别。     

高速列车转向架构架损伤、等效应力及寿命分布特性研究

为分析高速列车转向架构架损伤、等效应力及寿命分布特性,对构架疲劳关键测点进行动应力线路实测并对测点实测时域数据波形进行解析;基于实测应力时间历程及雨流计数法编制二维应力谱,利用Goodman等寿命方程将二维应力谱等效转换为一维应力谱;阐述线性累积损伤及非线性累积损伤模型的建立方法并对实测数据的线性累积损伤及非线性累积损伤进行了计算及对比分析;分别基于线性累积损伤理论及非线性累积损伤理论推导出各理论下的等效应力,基于实测数据对两种等效应力进行了计算及对比分析;通过结合非线性累积损伤及线性累积损伤理论计算的等效应力及不同可靠度下的材料S-N曲线计算并对比分析构架结构的疲劳寿命。研究结果表明,与非线性疲劳分析理论相比,线性疲劳分析理论对高速列车转向架构架的疲劳特性评估偏于保守。