非线性Lamb波结构疲劳损伤层析成像研究

由于现有的基于线性Lamb波的结构损伤监测方法对于疲劳微裂纹等微尺度损伤不敏感,近几年来对非线性Lamb波损伤监测技术的关注越来越多.对非线性Lamb波的基本理论进行了分析,根据具有累加效应的非线性Lamb波传播特点,研究了结构微尺度损伤的非线性Lamb波特征分析和提取方法,结合压电阵列方法,研究基于非线性Lamb波特征参数的结构损伤层析成像方法.在T6061铝合板材料上进行了实验验证,实验结果表明,当结构发生损伤时,非线性特征参数会显著增大,以此为特征可实现对模拟疲劳损伤的成像、定位和评估.     

HHT在提取Lamb波特征参数中的应用

超声Lamb波被广泛用于薄板状结构的损伤检测,其频散特性为损伤信号特征参数的提取增加了难度,因此提出HHT方法对时域的Lamb波进行频域转换,以提取信号的能量和时间特征。首先,介绍了Lamb信号的特性及生成方式;其次,详细说明希尔伯特-黄变换(HHT)的实现方法及步骤,用Matlab进行了算法实现,获得Lamb波信号的Hilbert谱、瞬时能量密度谱和边际谱;最后,通过复合材料结构的损伤实验,分别对损伤前后的结构检测信号进行HHT变换,提取信号的能量参数和时间参数,对比分析证明HHT能有效提取损伤前后信号的能量衰减和时间延迟信息,为下一步进行损伤程度和位置的识别提供了数据依据。     

基于波包分解的主动Lamb波结构损伤监测方法

主动Lamb波结构健康监测研究中,监测信号的质量易受到环境参数变化以及人为操作误差的影响。在分析Lamb波传播特性以及主动Lamb波结构损伤监测技术原理基础上,研究采用波包分解方法获取Lamb波损伤散射信号。通过相关运算,从损伤结构响应信号中分离出健康响应信号部分,实现损伤散射信号的获取。给出了方法的基本原理和实现过程。结合时间反转损伤成像监测方法,在真实环氧玻璃纤维复合材料板结构上进行了实验验证,并与传统损伤散射信号获取方法进行了对比。实验结果表明,该方法能够较好的消除环境参数变化等误差对监测信号带来的影响,具有较好的实用性。     

碳纤维层合板Lamb波损伤检测的加权块稀疏成像法

针对Lamb波稀疏阵列损伤成像方法中存在的成像分辨率低、伪点干扰大的问题,基于损伤在被测结构中的稀疏先验,提出了一种加权块稀疏重构的Lamb波损伤成像方法。首先通过Lamb波在薄板类结构中的线性传播模型,结合稀疏传感器阵列信息,构造过完备Lamb波散射的块稀疏字典;其次将测量得到的Lamb波散射信号在所构建的过完备字典下进行稀疏表示,将Lamb波损伤成像问题转化为加权l_1范数最小化的凸优化问题;最后通过谱梯度投影法,求解所建立的加权块稀疏凸优化模型,得到损伤散射信号在该字典下的稀疏表示系数并以此作为损伤指标,实现对被测结构的损伤成像。碳纤维层合板上的模拟损伤成像结果表明:所提方法在单损伤成像中的定位误差为3.16 mm,在双损伤成像中的最大定位误差为4.24 mm。实验验证了所提方法的有效性,与传统延迟叠加成像法的对比表明,所得损伤成像结果具有更高的分辨率,更小的伪点干扰,但同时也需要更大的计算量。     

基于主动激励的GIS盆式绝缘子损伤检测

GIS(Gas Insulated Substation)盆式绝缘子广泛应用于电力系统,长时间使用会产生结构损伤.本文提出了一种基于Lamb波的主动激励盆式绝缘子损伤监测方法,研究了Lamb波激励信号产生、Lamb波响应信号拾取及处理方法,设计了监测系统并进行了实验研究.实验结果表明本文提出的方法可以监测出盆式绝缘子表面深度为1 mm的微小裂纹以及盆式绝缘子表面微小附着物.     

三维埋藏裂纹的非线性Lamb波敏感性研究

采用数值模拟的方法,建立三维埋藏损伤裂纹单元,对非线性Lamb波的敏感性进行研究.利用ABAQUS软件,通过拉伸的方式建立损伤裂纹单元并将其嵌入长板模块中,形成一种肉眼不可见的埋藏裂纹模型,通过侧面激发出单S0模态信号与板中埋藏裂纹的相互作用而产生非线性效应.在相同激励条件下改变裂纹的尺寸从而获得不同的时域接收信号,然后对接收信号进行频谱分析,并对谐波与基波信号幅值比的变化展开研究.频谱图的数值结果表明,非线性Lamb波信号对三维模型中不同尺寸的裂纹具有不同的反应灵敏度,非线性信号会随着裂纹长度或高度的增加而增强,会随着裂纹厚度的增加而变弱,即非线性Lamb波对薄的微裂纹具有更高的敏感性;幅值比的分析表明,该参数可以作为Lamb波早期微裂纹检测的重要指标.     

变化温度下的超声导波板状结构健康监测

超声导波结构健康监测技术在板状构件的缺陷诊断中易受温度干扰,影响阵列对损伤成像的精度。在不同温度下进行兰姆(Lamb)波损伤检测的实验,基于最优基线法(OBS)和基线信号拉伸法(BSS),引入了局部时移,对时域信号进行精确补偿。通过最优基线法筛选出参考信号,添加局部时移实现各波包上的时间补偿,通过基线拉伸完成温度补偿。改进后的温度补偿法能够将温度采集范围由1℃拓宽至10℃,且能够对信号上各波包进行温度补偿。结合椭圆定位法,确保在变化温度下成像的相对误差低于9%。通过实验验证了优化后的温度补偿法的有效性,能够准确识别环境温度变化下的结构损伤。     

结构关键部位疲劳裂纹检测技术研究

本文基于朴素贝叶斯分类方法,对lamb波信号的时频特征进行分类,从而监测结构关键部位的损伤状态。利用小波变换对压电传感元件接收到的Lamb波信号进行时间频率域分析,提取与损伤状态对应的损伤指标;在此基础上利用朴素贝叶斯分类器进行损伤状态的分类,得到结构关键部位的裂纹长度。典型结构关键部位（如接头耳片）的实验研究结果表明文中方法的有效性。     

基于非线性Lamb波混频技术的复合板微裂纹方向识别研究

以非线性Lamb波混频技术为基础,对复合板中不同方向的微裂纹进行检测.采用数值模拟的方法,在三维复合板中通过提取和频分量,对Lamb波S0模态信号与微裂纹之间的非线性关系进行研究.利用有限元软件ABAQUS进行数值模拟,将微裂纹嵌入复合板模型的中心位置,并在板的四周加入混合人工吸收边界.在保持混频激励信号不变的情况下,改变复合板中微裂纹方向并对获得的时域信号进行傅里叶分析,之后利用和频边带和基频信号幅值,定义非线性参数β值并构造幅值比指向性图.仿真结果表明,随着板中裂纹方向的改变,Lamb波的散射方向也会发生改变,其传播路径满足反射定律,且前向散射信号的幅值比普遍大于后向散射的幅值比,与微裂纹方向垂直的接收信号幅值比最大.实验结果表明,该方法在误差允许的范围内成功实现了对任意微裂纹的方向识别.     

基于声发射技术的混凝土压缩损伤研究

结合力学特性参数及声发射特征参数对混凝土压缩破坏过程进行分析,结果表明声发射特征参数能有效表征混凝土材料内部裂纹扩展数量及损伤程度.基于小波变换对采集的声发射信号进行瞬态分析,获得了裂纹萌生、裂纹生长和微孔洞压缩、裂纹汇合所对应的声发射信号的时频特征.实验中裂纹萌生、裂纹生长和微孔洞压缩、裂纹汇合所对应的声发射信号的上升时间依次增长,频率依次降低与应变能释放理论相符合.     

铝板材电磁超声兰姆波换能器的有限元分析及优化设计

电磁超声兰姆波换能器由于其激发的兰姆波具有多模式、频散性和信号较弱的特点,在一定程度上限制了其发展及应用。针对增强电磁超声兰姆波信号强度问题,提出了一种优化设计方法。通过在永磁铁和线圈之间加入超微晶叠片来减小永磁铁表面的涡流,增加试件中的涡流,同时改善静磁场的分布,从而增强铝板中的信号强度。重点研究了超微晶对电磁超声信号的影响,采用有限元软件进行仿真分析,并进行了实验验证。实验结果表明,该优化方法能够有效增强兰姆波信号强度。     

基于Lamb波无基准方法的裂纹检测

传统的结构健康监测技术容易受到温度、振动噪音等与结构缺陷无关的因素影响.为了克服这一缺陷,发展了一种基于传递阻抗的无基准裂纹检测方法.该方法既不需要基准数据,也不需要损伤阈值,而是利用裂纹导致的Lamb波模式转换效应和PZT极化特性从两组并排的PZT元件间获取传递阻抗,通过比较传递阻抗的能量来判断裂纹是否存在.仿真和实验表明,该方法无需选择最优的激励频率和采样时间即可实现对裂纹的检测,具有较强的鲁棒性和适用性.     

LEAKY LAMB WAVES IN MULTI-LAYERED FLUID-SATURATED POROUS MEDIA IMMERSED IN LIQUID

ＬＥＡＫＹＬＡＭＢＷＡＶＥＳＩＮＭＵＬＴＩ┐ＬＡＹＥＲＥＤＦＬＵＩＤ┐ＳＡＴＵＲＡＴＥＤＰＯＲＯＵＳＭＥＤＩＡＩＭＭＥＲＳＥＤＩＮＬＩＱＵＩＤＺｈｏｕＹｕｆｅｎｇ１）ＷａｎｇＹａｏｊｕｎ１）ＭａＬｉ２）ＧａｏＴｉａｎｆｕ２）（１）Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ...     

北半球夏季的斜压波包个例分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,使用局地能量诊断和三维准地转波动通量等工具分析了2002年北半球夏季的一次斜压波包过程。结果表明：波包发展的能量来源主要依靠斜压转换获得,频散项对波包的影响很小;波包进入衰减期以后,波包的东侧和南侧作为垂直方向的波动源,向下传播波动通量;向下的波通量进入对流层低层气旋范围,对气旋的维持起到重要作用。     

液—固密度比对漏Lamb波色散特性的影响

基于对液体载荷固体板中漏ｈａｍｂ波传播模复波谱的计算，研究了液—固密度比对漏Ｌａｍｂ波色散特性的影响．计算结果表明，当液体密度接近固体密度时，一般认为的漏Ｌａｍｂ波和自由界面的Ｌａｍｂ波色散曲线基本一致的假设是不正确的．增大液—固密度比将导致漏Ｌａｍｂ模之间的相互作用，并发生部分漏Ｌａｍｂ模的重合、互易和分离现象．当液体密度从极稀薄向极稠密交大时，漏Ｌａｍｂ波的色散曲线从自由界面的Ｌａｍｂ模向法向位移为零的滑移突持边界条件的情况过渡．     

钢轨非接触式无损检测技术数值模拟研究

文中针对现有钢轨检测技术不足的问题,提出了基于空气耦合导波的钢轨非接触式无损检测方法,建立了可模拟空气耦合导波激励与接收全过程的声固耦合仿真模型,并基于声学理论对仿真模型进行了验证。首先,通过该数值模型模拟分析了轨底不同损伤程度对接收导波信号的影响;然后,考虑空气耦合导波受高强度随机白噪声的影响,提出了基于激励信号中心频率小波系数的损伤评估方法。结果表明：根据Snell定律及声学理论,钢轨空气耦合导波检测的最优激励角与接收角为6.6°;钢轨空气耦合接收导波具有波形稳定、能量集中及抗干扰能力强的特点;无论损伤程度大小及所处空间位置如何,接收到声压时域信号波包中心到达时间均基本一致;不同损伤程度对应损伤指数范围有明显差异;基于激励信号中心频率的小波系数法简单可行,准确度高,适用于已知窄带导波信号的损伤信息提取,在接收信号受噪声污染严重的情况下仍能够有效识别出钢轨损伤;基于空气耦合导波进行钢轨损伤识别具有可行性。     

基于滑窗迭代DFT和小波包分析的谐波电流检测方法

为了对电网中负载电流信号进行有效地检测,给出一种基于滑窗迭代DFT和小波包分析的谐波电流组合检测方法;方法先利用滑窗迭代DFT将负载电流信号中的基波分量和谐波分量分离,再用小波包对前面得到的谐波分量进行分析,更加精确地分离出残余基波和各次谐波含量;利用MATLAB进行仿真实验,实验结果验证了所给方法的有效性和准确性.     

平板和管道周向Lamb波频散和波结构特性

为指导使用管道周向Lamb波进行缺陷检测的工作,分析并对比研究了弹性平板Lamb波和管道周向Lamb波的频散和波结构特性。在管道周向Lamb波频散方程的推导中引入了修正的传播方向弧长计算以提高频散曲线的计算准确度,这种修正的合理性从两个方面得到证明。计算结果表明,代表管道周向弯曲程度的内、外径之比越大则周向Lamb波的频散和波结构特性越接近于平板,这就为以平板导波研究内、外径之比较大的管道的周向导波的近似处理提供了理论依据。     

高维半正交波包框架的刻画

研究了空间L²(Rⁿ)上半正交波包框架的存在性,刻画了空间L²(Rⁿ)上的半正交波包框架的特征,得到了多个小波函数组成的波包系构成波包巴塞尔框架的充分必要条件,以及波包框架成为半正交框架的等价条件.