层状管道结构频散曲线绘制及试验验证

目的推导层状管道结构中超声导波的频散方程,利用频散方程绘制其频散曲线,并通过试验来验证频散曲线的正确性.方法基于Navier波动方程并根据边界条件建立了层状管道结构的频散方程.从理论上分析了层状管道结构中三种模态超声导波的传播特性.根据推导出超声导波的频散方程,通过数值方法绘制出了超声导波在层状管道结构中的频散曲线.对超声导波的频散曲线和位移特点进行了分析,并选出适合激励的超声导波频率.构建与数值计算层状管道模型相同的试验系统并进行试验研究,利用试验验证了所建立的频散曲线的正确性.完成了层状管道结构纵向波动试验,激励频率在1~9 k Hz,对试验结果与理论值进行对比和误差分析.结果L(0,1)在管道结构中传播速度与理论值最大误差值为1.5%,可以发现两者相似度较高.结论笔者所绘制的频散曲线能够较为理想的反映出超声导波在层状管道中传播的真实情况,这对实际检测中激发信号的频率和模态的选择具有重要意义.     

利用压电导波层状管道结构的损伤识别

目的绘制层状管道结构导波的频散曲线,提出一种利用压电超声导波层状管道结构损伤识别方法.方法利用Navier方程及边界条件建立频散方程并进行数值求解,分别绘制出空管和充液两种情况下的导波频散曲线.为了验证理论分析结果,利用压电导波试验方法,对一个长2 m的层状空管和层状充液管道中的人工周向缺陷进行识别.结果导波的频散和衰减程度较弱的L(0,1)模态适合于层状充液管道中的损伤识别.随着导波频率的增加,频散效应逐渐增加,损伤识别能力也逐渐下降.对于充液管道,导波能量会通过液体中传播,降低损伤识别的精度.结论在对层状充液管道进行损伤识别时,应根据频散、衰减和导波结构等传播特性选取合适的纵向模态.利用压电导波进行层状管道结构损伤识别是十分有效的.     

正弦型波纹板导波传播的理论模型与数值计算

为了探究正弦型波纹板中超声导波的传播特性,基于经典的自由平板中导波频散方程的推导方法,引入波纹板的结构参数,对波纹板中SH波和Lamb波的频散方程进行了推导.采用二分法数值求解频散方程,得到了波纹板相速度和群速度频散曲线.将波纹板和平板的频散曲线进行了比较,研究了导波不同模态的群速度随结构参数的变化规律.同时对波纹板中超声导波传播特性进行了有限元仿真,分析了正弦型波纹板中导波的实际传播距离随结构参数的变化规律.     

焊缝特征导波模态的分析与应用

为满足焊缝快速高效无损检测需要,并提高超声导波对焊缝缺陷的灵敏度,研究高频下的焊缝导波模态尤为重要。基于COMSOL软件建立了二维对接焊缝半解析有限元模型,通过数值模拟与分析发现,频率大于300 kHz时焊缝中SH_(w1)模态几乎无频散、泄露小,适合于长距离快速焊缝检测。通过试验验证了SH_(w1)模态导波在对接焊缝中的传播特性,确定了最佳激励频率范围为320~360 kHz;并对焊缝中直径为3 mm的预置孔洞缺陷实现了检测,定位精度高于2.5%。     

螺旋杆结构中弹性导波频散特性研究

为获取弹性导波在螺旋结构中的传播规律,建立了螺旋坐标系下的弹性力学基本方程,得到了螺旋结构中半解析有限元形式的弹性波频散方程.频散计算结果验证了在钢绞线外层螺旋圆杆中弹性导波的L(0,1),T(0,1)和F(1,1)等模态存在频率截止,并进一步计算了圆柱螺旋弹簧和螺旋天线结构的频散中的相速度和能速度曲线.结果表明:a.不同螺旋结构的频散曲线中普遍存在着频率截止和模态分支现象;b.所推导的螺旋坐标系下的弹性力学方程可以满足对螺旋结构的弹性导波频散分析计算;c.钢绞线外层螺旋圆杆的弹性导波能速度频散曲线在中间频段部分与直杆上频散曲线的对应频段部分的特征相近,圆柱螺旋弹簧与同旋绕比的圆环结构之间的能速度频散特征相近;d.不同螺旋天线的结构形式差别较大,其弹性导波频散特性须要根据具体结构特点作具体分析.     

任意梯度分布板中的导波频散特性分析

研究了导波在任意梯度分布功能梯度板的频散特性.假设板的上、下表面满足应力自由边界条件,且材料参数沿板厚方向按同一函数规律变化.将功能梯度板分成若干子层,并假设各子层的材料常数均相同,以此构造带状单元.运用哈密尔顿原理,推导出导波在板中传播的特征值问题.通过求解该特征值问题,得到导波的频散特性.最后通过算例验证了本文提出方法的正确性,同时也讨论了材料参数沿板厚方向为余弦函数分布时,不同梯度参数及分层数对频散特性的影响.本文提出的方法不仅能得到导波的实频散特性,还能获得复频散特性.     

充液管道纵向导波在黏度测量中的应用研究

利用COMSOL仿真和实验,研究并证实了充液管道纵向导波测量液体黏度的可行性.有限元仿真采用声固耦合模块、特征值求解器来获得导波实波数、复频率和波结构,以及不同模态的位移和声压分布.实波数和频率实部构成群速度频散曲线,频率虚部和频率实部构成衰减频散曲线.计算和测试了不同充液属性时纵向导波的群速度和衰减频散曲线.黏度不影响导波群速度频散曲线,黏度增加时,衰减系数增大;密度增加时,导波群速度和频散区的衰减均变小,而非频散区的衰减不变;纵波速度增加时,群速度和衰减频散曲线均右移.     

任意梯度分布圆柱壳的周向导波频散分析

利用半解析方法分析了周向导波在任意梯度分布圆柱壳的频散特性.在假设材料参数沿圆柱壳径向按任意梯度变化的基础上,应用带状单元法,将功能梯度壳分成若干子层.对于细分子层可认为其材料参数为常值,并以此构造带状单元,获得导波在圆柱壳中周向传播时的特征值问题,通过求解该特征值问题,得到了导波的频散特性.最后通过算例讨论了材料参数沿径向按余弦函数分布时,不同梯度参数及内外径比对导波频散特性的影响.     

螺旋曲杆中导波传播特性的有限元分析

文中采用有限元方法对螺旋曲杆中导波的传播特性进行了研究.运用坐标转换和二维快速傅里叶变换(2D-FFT)对导波信号进行了处理和分析,分别对不同直径和螺旋角曲杆导波的传播过程进行了数值模拟,揭示了螺旋曲杆直径、螺旋角变化对导波传播的影响规律,并分析了导波传播中的频率截止、模态分离现象.     

基于分向半解析有限元法的椭圆杆波动特性

波导结构中导波的传播特性是超声导波检测技术的重要基础.本文选择椭圆杆作为研究对象,在椭圆坐标系下,采用分向半解析有限元法,结合变分原理,建立运动方程.由此计算得到的圆杆相速度曲线与解析解的吻合,验证了计算方法的正确性.在此基础上,进一步研究了长短轴比以及物理参数对椭圆截面杆中导波频散特性的影响规律.结果表明,椭圆坐标系下分向半解析有限元法能够求解出椭圆杆的频散曲线,为椭圆杆结构的导波检测提供了理论依据.     

卫星结构蜂窝夹层板的等效计算

在利用MSC／NASTRAN对卫星结构进行有限元计算时，必须对蜂窝夹层板进行预先的等效处理，等效处理的合理与否将直接影响到计算结果的可信度．为此，研究了3种不同的等效方法，即三明治夹心板理论、蜂窝板理论以及等效板理论，其中三明治夹心板理论方法只对蜂窝夹芯进行等效，而蜂窝板理论和等效板理论方法则是对整个蜂窝夹层板进行等效．分别采用这3种等效方法，对某铝蜂窝夹层板的2种工况进行了模态分析，并将计算结果进行了比较．结果表明，运用等效方法的计算结果非常接近于解析解，证实了等效处理方法的合理性和正确性．     

瑞利波泄漏模式的模拟研究

瑞利导波相速度频散曲线有时会出现截止或截断现象,此时必须考虑泄漏模式波的存在,如何快速求取泄漏模式波的相速度大小是研究的核心问题．采用添加附加层的方法,使瑞利波实频散方程求根的范围包含所有的层速度区域,从而可用Abo—zena,Menke和Bixing Zhang等学者研究过的传递矩阵理论,利用二分法求解相速度大小,即用导波来模拟计算泄漏模式波相速度大小．从模拟计算结果来看,附加层法不仅能模拟出原模型的实数导波,而且还能计算出泄漏模式波的变化．由此可见,用附加层法来计算瑞利波的泄漏模式是可行的;同时,若将该方法应用于瑞利波勘探的反演,它不会增加未知数的个数。     

锚杆中纵向超声导波传播特性数值模拟研究

针对导波在锚杆检测中的应用,分析了纵向导波在锚杆中的传播特性,利用Matlab求解了纵向导波传播的频散方程,用有限元数值方法模拟了不同频率的L(0,1)模态导波在锚杆中的传播特性,并对其杆顶响应信号进行了分析。通过理论和数值模拟分析对比验证了数值模拟方法的可行性,对于工程中应用导波对锚杆进行检测时,应选择适当频率的导波,并结合各频率导波在锚杆中的传播特性才能得到可靠的结果,进而对锚杆顶端对称与非对称激励震源在锚杆顶端产生的响应进行了分析。     

Guided elastic waves in infinite free-clamped hollow cylinders

Guided elastic-wave-inspection technique for hollow cylinders has received plenty of attention in recent years because of its hieh effi-ciency ana tow cost.To apply guided elastic waves to detects detection,it is necessary to investigate the propagation of guided waves in the hollow cylinders under all kinds of boundary conditions.In this paper,the dispersion equations of torsional,longitudinal and flexural guided waves in the hollow cylinders with traction-free and clamped lateral boundaries are derived by elastodvnamic theory,based on wnicn the phase and group velocity dispersion curves of the guided waves mentioned above are obtained.And the dispersion properties of these waves are discussed in detail.The transient wave in a tree-clamped hollow cylinder is simulated by the finite element method(FEM).The time-frequency distribution of the transient wave agrees well with the theoretical group velocity dispersion curves.     

BISQ模型中岩石喷射流对井孔声导波的影响

用Biot-喷射流统一模型(BISQ模型)模拟孔隙地层, 研究岩石喷射流对充流体井孔中声导波传播特点的影响. 数值结果表明, 顾及喷射流机制后, 单极、 偶极和四极声源激发的井孔导波的衰减都增大, 激发幅度变小, 但它们的频散特性几乎不受喷射流的影响.     

电磁波在填充非线性左手介质平板波导中的传播

对填充非线性左手介质理想导体平板波导中横电波(TE波)进行了理论分析,得到其电磁场分布和色散方程.通过数值计算,给出了部分TE波低次模的色散关系曲线.结果表明,当电磁波频率为4～6GHz时,介质的电容率和磁导率都为负;电磁波在此种波导中的各次模的色散程度随电磁波频率的增大而近似线性增大;在板间距离相同时,低次模的色散比高次模的色散大;随着板间距离的增大,电磁波在波导中的相速度线性增大;当电磁波的频率一定时,波导的色散程度随波导两板间距离增大而线性增大.     

曲线形槽波导传输特性的分析

为了研究新型毫米波与亚毫米波传输线及其实际应用,根据横向谐振阶梯近似等效网络法对几种曲线形槽波导的传输特性进行了分析。结果表明,各种曲线形槽波导的色散很小,且其色散特性与折线形槽波导相似,槽区的形状对其色散特性影响不大。在一定条件下,主模的带宽与槽区面积成正比,而平板区的横向长度与槽区面积成反比。此外,还给出了计算平板区横向长度的理论公式。这些新型开放式曲线形槽波导可用于传输毫米波与亚毫米波,也可     

超声导波在焊缝缺陷检测中的发展与挑战

简要回顾了超声导波技术的发展历程,调研了导波在焊缝缺陷检测中的研究现状。从导波与焊缝的交互作用、导波与缺陷的交互作用两个角度出发,分析了板状结构焊缝缺陷检测的发展与应用。结合导波纵向模态、扭转模态、结构特点,阐述了管道焊缝缺陷检测技术的进展。最后总结了当前导波技术在焊缝缺陷检测中面临的机遇与挑战。     

柱状多孔媒质结构中声导波

根据Ｂｉｏｔ多孔媒质声学理论及多孔媒质界面边界条件,导出了腔内为流体的柱状多孔媒质结构中任意周向波数声导波的广义色散方程。数值计算了其中轴对称和非轴对称声导波的色散特性,考察了流体多孔媒质界面特性及多孔媒质中慢纵波对声导波色散特性的影响。结果表明,利用Ｂｉｏｔ多孔媒质声传播模型和多孔媒质界面边界条件,可以求得柱状多孔媒质结构中任意周向波数声导波的色散特性     

四边简支条件下对称蜂窝夹层板的弯曲振动分析

应用经典叠层板理论(CPT)、一阶剪切板理论(FSDPT)和三阶剪切板理论(TSDPT)对四边简支条件下对称蜂窝夹层板的弯曲振动进行了分析.弯曲振动分析中将蜂窝芯层等效为一正交异性层,其等效弹性参数由修正后的Gibson公式获得,推导了蜂窝夹层板在四边简支条件下的固有频率方程.经具体算例表明,对于铝蜂窝夹层板固有频率的计算,三阶剪切板理论的计算精度要高于经典叠层板理论和一阶剪切板理论.