半潜式海洋平台肘板中超声导波传播规律研究

半潜式海洋平台肘板连接处裂纹属于典型的变厚度板裂纹,导波在变厚度板中的传播规律非常复杂,为解决肘板连接处裂纹检测的问题,本文拟通过数值计算和仿真的方式探索超声导波的传播规律.在仿真软件中建立肘板节点模型,在肘板上以及X轴方向布置传感器,进行单点激励多点接收信号,通过监测不同距离处的波动情况、导波模态转化和幅值变化等,总...     

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.     

基于合成孔径聚焦的超声SH导波成像检测

超声水平剪切(shear horizontal,SH)导波成像检测旨在解决平板检测中检测距离增加时分辨力降低的问题。该文运用合成孔径聚焦原理,构建了16通道超声SH导波成像检测实验系统,通过分析阵列信号时频域特征揭示了声波与缺陷间相互作用的规律,对SH导波合成孔径聚焦成像算法进行了讨论,阐明了导波阵列信号时空域信息合成在聚焦成像中的应用。研究结果表明:合成孔径聚焦可用于超声SH导波成像检测,所成图像能够表征钢板中检测距离2 m以上、尺寸当量大于5 mm的缺陷信息,为深入开展工业在役大尺度结构板材的缺陷成像检测和结构健康监测提供了基础。     

超声导波在层状管道结构传播性质的有限元模拟及验证

目的使用有限元分析软件ABAQUS建立层状管道结构模型,克服试验中不能在任意位置设置传感器的弊端,不破坏外包层的前提下实现对结构层的损伤识别和健康监测.方法利用有限元模型能对管道结构任意位置和任意节点的信号进行提取和分析的优势,分析压电超声导波的轴向传播机理.然后制定同等条件的试验室模型,建立试验系统,验证有限元分析的准确性.随后采用试验方法定量分析外包层对结构层的影响.结果试验结果与有限元模型的端部反射波波形图相符合,在非频散区间,试验信号和有限元模拟信号的群速度误差较小.结论有限元模型能够准确地模拟压电超声导波在层状管道结构的传播性质,量化外包层影响后,为后续损伤识别研究奠定了基础.     

基于振动信号降噪的钢板件损伤定位

为了实现汽车船舶等行业中钢板件的结构健康监测,针对冲击、碰撞损伤发生时的振动信号,提出了一种结合小波包阈值降噪(WPT)和集合经验模态分解(EEMD)降噪的方法来提高损伤源的定位精度。首先,设计了动态环境下钢板件的冲击损伤试验系统并进行实验方案设计,采集了损伤时刻数据;其次,通过对损伤信号进行WPT-EEMD降噪有效提高信噪比,并利用阈值检测获得信号到达各传感器的时间;最后,基于延时叠加算法,完成了钢板件中损伤区域的定位成像。实验结果表明,该方法可在动态环境下有效定位出钢板件上冲击损伤发生的位置,为解决动态无损监测问题提供了思路。     

结构监测系统中传感器故障判别方法

为了解决结构监测过程中,对传感器故障所引起异常测值难以准确识别的问题,基于灰色理论和模糊聚类方法提出了判别异常测值出现成因的方法,其原理是通过分析测值序列之间的相互联系来判断监测系统中传感器是否出现故障,通过构造灰色绝对关联度矩阵并将其作为模糊关系矩阵进行聚类分析.分析结果表明,当异常测值序列与其他测值序列的关联度有明显降低时,可初步判定该异常是由传感器故障引起.最后通过对润扬大桥北锚碇基底孔隙水压力测值的分析说明该方法可有效应用于实际工程.     

基于LoRa组网技术的矿井顶板监测系统设计

为了解决矿井顶板监测方法通信距离短、定位不精确等问题,设计了一种基于LoRa组网技术的矿井顶板监测系统。首先,根据井下巷道结构,设计了星型组网结构。其次,搭建了监测系统整体框架,并对数据采集模块进行软硬件设计。最后,进行系统定位及鸡群优化(CSO)算法优化设计,先把相邻两个传感器节点间的区域等距离划分,再按照接收附近传感器节点的接收信号强度值(RSSI),对该区域标记等级,并利用未知的节点接收的RSSI确定其所属等级区域,在该等级区域内根据CSO算法利用迭代寻优进一步确定其精确位置。经实验证明,该系统运行稳定,定位精确,无线传输距离半径不低于300m,可以对矿井顶板进行大范围监测。     

板状结构中的导波相控阵损伤成像技术

基于延迟-叠加原理,提出了在金属薄板中导波相控阵的波束形成公式及其损伤成像方法。该相控阵列的波束形成及其成像算法是在频率域上进行的,考虑了超声兰姆(Lamb)波的频散效应。数值仿真研究表明:本文提出的损伤识别技术能够有效定位损伤区域。为了验证该方法的有效性,实验中搭建了压电陶瓷传感器(PZT)-激光多普勒测振仪(SLDV)混合系统,对金属铝板进行损伤检测。该系统包括用于激励超声Lamb波的PZT和获取导波波场数据的SLDV。通过提出的导波相控阵成像算法实现对铝板的损伤成像。实验结果表明:基于频率域上相位延迟的导波相控阵成像方法,与传统时间延迟方法相比,能够提高损伤成像精度,有效定位损伤存在的区域。     

基于电磁波及超声波联合测距的井下定位方法

研究煤矿井下电磁波、超声波联合定位方法,根据井下巷道的空间结构特点,由锚节点和网关节点形成无线传输网络,网关节点布置在巷道的端点,锚节点一字排开等间距吊挂在巷道顶部中央,使巷道内任意位置都至少有两个锚节点接收到移动节点发射的电磁波信号。 移动节点通过判别锚节点电磁波信号强度确定移动节点与锚节点的位置关系;移动节点采用基于超声波的TOF检测方法进行巷道横向测距,移动节点和锚节点节采用基于电磁波信号强度的对数-常态分布模型进行巷道纵向测距,最终确定移动节点的二维坐标。 仿真结果表明,提出的定位方法误差较小,超声波在巷道横向的测距误差很小,巷道纵向50 m范围内,最大误差不超过5 m。 联合定位方法使用少数锚节点获得高定位精度,可以应用于煤矿井下。      

复合材料层合板损伤的延迟累加成像算法

由于复合材料结构的各向异性,导致难以准确获得导波的波速和传播时间。因此在使用传统的延迟累加成像算法对复合材料结构进行损伤识别过程中,会造成损伤定位精度的降低。考虑到复合材料的各向异性导致导波在各个方向的波速并不相同,提出了一种改进的延迟累加损伤成像算法。该方法通过利用激励器与成像点以及成像点与传感器之间的方向角,在成像过程中选取了不同的方向波速进行损伤识别。通过一复合材料层合板冲击损伤的监测实验,将所提算法与采用不同方向波速的传统延迟累加成像算法进行对比,对所提方法的有效性进行了验证。实验结果表明:相比于采用单一速度的延迟累加成像算法,该方法的损伤监测误差控制在4%以内。     

蜗卷弹簧导波频散特性研究与探头设计

蜗卷弹簧是高压断路器的关键零件,可用超声导波来检测裂纹损伤,超声导波的频散特性研究是影响导波检测的重要因素,也是导波探头设计的基本依据。本文首先推导了蜗卷弹簧的超声导波频散方程,说明理论上无法直接计算得到蜗卷弹簧的频散特性,通过借鉴圆柱壳结构周向导波的频散特性研究方法,把蜗卷弹簧的各圈近似为不同半径的圆柱壳结构、计算得到其频散曲线,从而得到蜗卷弹簧的频散特性,频散曲线表明蜗卷弹簧的形状参数是影响其频散特性的主要因素。以蜗卷弹簧外圈为例,计算了频率和探头入射角以及导波模态三者的关系,为导波探头频率选择及楔块角度设计提供参考。     

采用Lamb波理论的超大型航空铝板的损伤检测

目的针对飞机机翼的铝板在正常使用条件下经常出现的切割和冲击两种微损伤类型进行损伤检测.利用超声导波传播过程中衰减小,传播距离远的特点,从而解决传统检测方法的逐点扫描的缺点.方法采用PZT压电陶瓷作为检测的Lamb波信号的激发和接收传感器,通过Hilbert变换计算监测信号的幅值变化,从而确定信号能量的分布规律,进而研究铝板的损伤程度.结果切割损伤产生新的边界会产生新的反射波,信号分析过程中可以根据波的传播速度确定损伤的位置,同时根据信号幅值和能量变化确定损伤的程度.结论冲击损伤可以从回波的Hilbert变换能量变化中检测到,但是信号的解析和确定损伤位置变得复杂得多.该方法可以有效地对超大型铝板进行无损检测.     

无线传感器网络分布式射频干涉定位方法

针对现有无线传感器网络节点定位方法复杂度较高的问题,提出了一种基于射频干涉的分布式节点定位方法(DRIPS).首先利用2个锚节点形成射频干涉场,然后用其中1个锚节点的移动产生多普勒效应,从而各节点可通过测量自身低频接收信号场强指示的瞬时频率得到与移动锚节点之间的夹角信息.结合锚节点的地理位置,节点融合多组定位角度信息得到最优的位置估计.DRIPS方法仅需利用节点的常规无线通信设备,不需要额外的辅助测量装备,同时各节点独立进行自身的位置估计,不需要进行集中处理,是一种分布式的定位方法.仿真结果表明,对于200 m×200 m的定位区域,在多普勒频偏的测量精度为1 Hz时,节点的平均定位误差可以达到1 m以内.     

大跨度空间网格结构的健康监测系统

针对大跨度空间网格结构健康监测系统中的传感器布置以及损伤识别问题,以凯威特型单层球面网壳为例,首先,定义基于变形能的适应度函数,采用粒子群优化算法布置加速度传感器;其次,根据加速度响应信号,建立时间序列模型(AR模型),根据模型系数的变化,判断损伤存在与否;最后,以AR模型系数为输入,损伤位置为输出,建立BP神经网络,通过BP网络的训练和测试,判定损伤存在的位置.数值模拟结果表明:基于粒子群算法的传感器优化布置方法能够准确获取网壳结构中的关键信息点,有效节省传感器布置数目;基于时间序列分析和神经网络的损伤识别方法可以准确识别网壳结构的损伤及损伤位置.     

一种基于RTK-GNSS技术的大跨径悬索桥动态特性分析方法

为了研究一座大跨径自锚式悬索桥的动态特性,本文采用实时动态差分-全球卫星导航定位系统(RTKGNSS)和加速度计对环境激励下天津富民桥进行监测试验.考虑到RTK-GNSS系统定位精度的缺陷,提出了一种基于集合经验模态分解(EEMD)法与小波分解(WD)技术的联合降噪方法(EEMDWD),利用该方法对监测信号进行降噪处理以提高仪器的测量精度.随后,采用快速傅里叶变换(FFT)与随机减量技术(RDT)对降噪信号做进一步分析,从中获取结构的固有频率与相应的阻尼比.同时,为了与实测结果进行对比,建立了结构的有限元模型.分析结果表明:(1)采用EEMDWD联合降噪方法可以有效抑制背景噪声的影响,并且明显优于采用单独的EEMD或者WD分析的结果;(2)通过FFT分析,成功拾取到了结构的1阶固有频率,即f =0.5873 Hz,且RTK-GNSS与加速度计两类传感器的模态频率识别结果相一致,进一步验证了RTK-GNSS系统用于监测环境激励下大跨径桥梁动态响应的可行性;(3)通过RDT分析,成功拾取到了结构的阻尼比,即ξ=2.12%;(4)阻尼比实测值与有限元模型分析结果基本吻合,两者相差2.86%.     

利用表面纳米化技术改善AZ31镁合金的弯曲性能

镁合金因为其低密度和高比强度,成为新一代的结构材料。对比钢铁和铝合金,镁合金板材的弯曲成型性能相对较差。对于如何提高其成型性能成为了近年来的研究重点。表面纳米化是一种有效提高镁合金强度和表面硬度的手段,然后镁合金在表面纳米化之后,其塑性会明显降低,从而影响成型性能。 本文通过超声喷丸的方式,在镁合金的表面制备了不同厚度（51–145 μm）的纳米层,研究了表面纳米化之后的AZ31镁合金板材的V型弯曲性能。通过研究发现,双面纳米化处理的镁合金表现出和未处理相近的弯曲性能。同时,单面处理的板材表现出优于未处理板材的弯曲性能。当纳米层在弯曲过程中位于单侧处理的板材的内测,其改变了板材中性层在弯曲过程中的外移趋势,从而提高了弯曲性能,研究表明这种提高是非常有限的。在超声喷丸5 min处理的板材中,其中性层偏移最少,更厚的纳米层使得中性层偏至板材内测,从而降低弯曲性能。当纳米层在弯曲过程中位于板材的外层时,板材的弯曲性能也得以提高并且提高程度随着纳米层厚度的增加而增加。这是因为纳米材料在弯曲过程中导致了应力应变的再分布。在板材外层增加纳米层后,其弯曲顶端得到了应力更大应变更小的一种分布情况,而这种分布有利于纳米化后的板材的弯曲,从而阻止了裂纹的产生,提高了弯曲性能。     

事件驱动型无线传感器网络生存期分析

事件驱动型传感器网络在侵扰监测、地震活动监测、动物运动跟踪以及大型设备的状态监测等领域有着巨大的应用前景,但由于其数据传输率不可预知,由此带来的不确定性增大了研究工作的难度.从网络结构与优化冗余节点分布的角度,提出延长事件驱动型传感器网络生存期的能量管理策略.将监测区域的无线传感网络划分成基于正六边形网格的分层结构网络,各层网格内的冗余节点数按最优分布条件由内层向外层依次递减.仿真计算了不同层数和不同p值的网络生存周期,并与传感器节点相同但按泊松分布和均匀分布的网络进行了比较,结果表明本文的方法有效的延长了网络的生存期.     

超声波法探测混凝土内部缺陷原理及应用

超声波法是混凝土无损检测的主要方法之一。它通过测量超声脉冲波在混凝土中的传播速度、首波幅度和接收信号主频率等声学参数,并根据这些参数及其相对变化,判定混凝土中的缺陷情况（如混凝土内部空洞和不密实区的位置和范围、裂缝深度、表面损伤层厚度、不同时间浇筑的混凝土结合面质量、灌注桩和钢管混凝土等缺陷）。本文应用超声波对测法对北京某立交桥墩缺陷状况进行检测,准确得到异常点分布区域并确定混凝土不密实区域的空间位置。     

基于Morlet小波结构健康监测中的时间延迟

在构建基于声发射的被动结构健康监测系统的基础上,采用铝板为实验材料,根据Lamb波在薄板材料中传播具有频散特性,计算出纵波速度和横波速度.采用LabVIEW软件记录初始信号和处理信号参数,通过LabVIEW和Matlab接口,由Matlab进行Morlet小波变换,通过等高线选择合理的能量频率,应用能量波峰来计算不同传感器接收到信号的时间延迟,使其能够用于结构损伤的精确定位.最后通过对GFRP和CFRP复合材料的监测验证了本系统的适用性.     

利用粒子群算法的传感器优化布置及结构损伤识别研究

为了合理布置结构健康监测系统中传感器的位置及满足结构损伤识别的要求,提出了一种基于改进粒子群算法的传感器优化布置方法。首先以模态保证准则(MAC)矩阵的最大非对角元极小化为目标,构造出满足优化条件的适应度函数,并采用改进的粒子群算法搜索出传感器的最佳布设位置;其次,利用振型扩充技术把有限测点的测量模态数据扩充为完整自由度模态数据,并利用所提损伤识别方法进行结构损伤识别;最后,通过一个二维平面桁架结构算例对所提方法进行有效性验证。数值结果表明,所提传感器布设方法能够高效地搜索出给定数目的传感器优化位置,且利用其优化结果能够准确地识别出结构的损伤位置和程度。