高频纵向导波在钢杆中传播特性的研究

计算了钢杆中纵向轴对称导波模态的衰减频散曲线和群 速度频散曲线. 分析了1~3MHz范围内高频纵向轴对称超声导波在钢杆中的传播特 性. 理论分析表明，各高阶纵向模态都存在一个衰减最小值，在此衰减最小值所对应频率下 的高阶模态能传播较远距离，可用于钢杆导波检测. 建立实验系统，采用轴对称同端激 励接收的方法，根据第1次端面回波做出群速度和端面回波幅值随频率变化曲线，实验结 果与理论分析基本吻合. 表明考虑材料衰减特性的钢杆频散曲线可以作为实验指导依据.     

基于导波技术的螺柱轴力无损检测

根据弹性动力学理论,采用纵向导波与弯曲导波相结合的方法对螺柱所受轴向应力进行无损检测。计算了M22螺柱中纵向导波和弯曲导波的群速度频散曲线。根据频散曲线,确定了采用导波对螺柱轴向应力进行无损检测的最优检测信号频率范围(50~80 kHz),此频率范围的纵向导波与弯曲导波模态单一,并且频散性较低。分别计算了不同轴向应力σ作用下,多种频率的纵向导波和和弯曲导波在螺柱中传播的群速度值cgσrL和cgσrF。结果表明,随着轴向应力的增大,同频率纵向导波和弯曲导波的群速度皆呈线性递减趋势。利用纵向导波和弯曲导波群速度与轴向应力的线性关系及纵向导波和弯曲导波在轴向应力作用螺柱端面的反射时间tLσ和tσF,可以迅速确定螺柱所受轴向应力值。     

管道液体流速对超声导波纵向模态传播的影响分析

建立了充液管道中液体流动时超声导波纵向模态的群速度频散方程,研究了模态、激励频率对载流管道内超声导波传播的影响。在数值仿真的基础上,利用环形压电阵列在载流管道中激励接收频率305kHz的L(0,5)模态,对纵向模态在载流管道中的传播特性进行了实验研究。研究结果表明,载流管道内频率305kHz的L(0,5)模态的群速度与液体流速呈近似线性变化。实验结果与理论分析结果相符,该结论为载流管道流量在线测量提供了一种新方法,为超声导波流量计的研制打下了理论基础。     

带阻尼多层杆构件超声导波传播特性分析

应用半解析有限元法求解导波在带阻尼多层杆构件中的相速度、群速度、衰减情况和波结构等频散特性。采用有限元数值模拟的方法对带有包覆层(芯层采用直径φ=28mm的28#热轧带肋钢筋,包覆层为φ_(inner)=28mm,φ_(outer)=160mm标号为C50的混凝土)和不带有包覆层(芯层采用φ=28mm的28#热轧带肋钢筋)的两类锚杆进行三维建模,并分析了不同加载方式下导波的激励特性。结果表明:锚杆中低频频段的导波模态数量较少,衰减较小,但频散较强,信噪比较低;高频频段中存在的导波模态众多,且衰减较快。与无包覆层锚杆相比,灌浆锚杆在同样的频带范围内导波的模态数量更多更复杂,衰减明显增大。在低频时灌浆锚杆的纵向模态位移分布在全截面,高频时集中在锚杆中心部位。采用导波对杆构件进行长度检测时,对于无包覆层锚杆优选端面与侧面组合加载方式下64kHz时的L(0,1)模态,而对于灌浆锚杆优选端面梳状阵列加载方式下2250kHz时的L(0,22)模态。     

钢轨轨底垂直振动模式导波检测技术的实验研究

现有铁路钢轨超声探伤车技术无法检测线路钢轨轨底缺陷,给铁路运输安全带来很大隐患.本文开展了钢轨轨底超声导波传播特性和垂直振动模式导波检测技术研究,采用半解析有限元方法分析了我国60型钢轨轨底的各振动模态导波频散曲线和波结构.应用模态锤技术对自由状态钢轨轨底垂直振动模态导波传播特性进行了实验测量,结果表明,在0～100kHz频率范围内,钢轨轨底垂直振动模态优势模式与厚度为14 mm板中的A0模式兰姆波具有等效性.进一步研究了激励频率、激励脉冲周数、传播距离对轨底垂直振动模态导波传播的影响,设计了导波斜探头,选择合适的参数在钢轨轨底激励出垂直振动模态导波并检测出了轨底的人工缺陷.本文的研究结果为线路钢轨轨底的导波检测技术奠定了一定的基础.     

钢绞线中激励纵向模态的磁致伸缩型激励及接收器的选型

为在钢绞线中有效激励和接收纵向模态超声导波,对磁致伸缩型传感器的敏感元件螺线管的结构进行了优化,并进行了试验验证.首先,对利用磁致伸缩效应在钢绞线中激励及接收纵向模态超声导波的方法进行了分析,选用频率160kHz的L(0,1)纵向模态作为用于公称直径17.8mm的7芯钢绞线检测的导波.设计制作了激励该模态专用磁致伸缩型传感器.经过对结构和绕向不同的螺线管进行比较后,选取3段式螺线管作为磁致伸缩型传感器的敏感元件.为证实其检测能力,利用该传感器对钢绞线外围钢丝上的人工缺陷进行了检测,通过得到的实验信号可以很好确定缺陷位置.本文的研究为今后进一步检测钢绞线的健康状况奠定了基础.     

管道超声导波检测技术研究进展

综述管道超声导波检测技术及其应用研究进展。着重对超声导波技术和模态声发射技术在管道检测中的最新应用进行了评述，内容涉及超声导波的传播特性、实验检测方法及其数值模拟等。     

有限单元法在超声导波检测技术中的应用

超声导波检测技术具有对波导结构中的缺陷进行远距离无损检测的能力,多年来一直是无损检测领域关注的热点之一.有限单元法具有对各种复杂动力学问题进行计算的能力,已成为超声导波检测技术研究的重要工具.本文结合超声导波检测技术研究领域中的热点问题,对相关的有限单元法进行了简要综述.介绍了有限单元法的发展及其在多物理场耦合机制下导波的激励与接收、线弹性和黏弹性结构中导波的传播特性、非线性超声导波等多个方面的应用研究情况. 最后,基于超声导波检测技术研究趋势展望了相关有限单元法的未来研究重点和发展方向.      

基于超声导波技术对板表面缺陷的无损检测研究

本文通过数值计算与实验,研究了薄钢板内导波的传播及其频散、多模态特征以及被激励模态与斜探头入射角的关系.利用所建立的实验系统,对钢板表面的人工缺陷进行了检测.结果表明,对特定频率,选择A1模态的超声导波检测钢板表面缺陷是可行的.     

注浆锚杆中扭转导波的传播特性

理论研究了扭转导波在注浆锚杆中的传播特性。首先建立了注浆锚杆两层复合结构中的扭转导波的频散方程,之后数值计算得到了扭转导波的能量速度、衰减频散曲线及导波在注浆锚杆中的位移分布情况。结果表明,(1)500kHz范围内,注浆锚杆中具有三种扭转导波模态T(0,1)~T(0,3),三种模态均具有频散性。随着频率逐渐增大,导波的能量速度逐渐增大,而衰减值逐渐减小。(2)50kHz和200kHz的T(0,1)模态扭转导波在锚杆体内的周向位移值较大,所以对锚杆体表面的轴向缺陷敏感,而导波在锚杆与注浆体接触面上的周向位移较大,从锚杆泄漏至注浆体中的能量较大,导波衰减较严重。(3)频率高于100kHz,锚杆直径的变化对T(0,1)模态的能量速度几乎无影响,而频率低于100kHz,注浆体弹性模量越大,T(0,1)模态的能量速度越小。     

THERMOELASTIC WAVE PROPAGATION IN PLATES: AN IMPROVED LEGENDRE POLYNOMIAL APPROACH 1)

近年来, 超声导波因其衰减小, 传播距离远和信号覆盖范围广, 成为无损检测领域快速发展的方向之一. 然而, 基于超声导波的高温在线检测和激光超声技术却发展缓慢, 其关键在于热弹耦合波动方程求解难度大、传播与衰减特性研究困难. 作为一种有效的求解方法, 勒让德正交多项式方法已广泛应用于导波传播问题, 但该方法在求解热弹导波传播时存在两个不足, 限制其进一步的发展和应用. 这两个缺陷是: (1)求解过程中大量积分的存在, 致使计算效率低下; (2)仅能处理等热边界条件的热弹导波传播. 针对两项不足之处, 提出一种改进的勒让德正交多项式方法, 以求解分数阶热弹板中的导波传播. 推导求解方法中积分的解析表达式, 以提高计算效率; 引入温度梯度展开式, 发展适合勒让德多项式级数的绝热边界条件处理方法. 与已有文献结果对比表明改进方法的正确性; 与已有方法的计算时间对比说明改进方法的高效性. 最后将改进的方法用于求解分数阶热弹板中的导波传播, 研究分数阶次对频散、衰减曲线和应力、位移、温度分布等的影响.     

板中热弹波传播: 一种改进的勒让德多项式方法

近年来, 超声导波因其衰减小, 传播距离远和信号覆盖范围广, 成为无损检测领域快速发展的方向之一. 然而, 基于超声导波的高温在线检测和激光超声技术却发展缓慢, 其关键在于热弹耦合波动方程求解难度大、传播与衰减特性研究困难. 作为一种有效的求解方法, 勒让德正交多项式方法已广泛应用于导波传播问题, 但该方法在求解热弹导波传播时存在两个不足, 限制其进一步的发展和应用. 这两个缺陷是: (1)求解过程中大量积分的存在, 致使计算效率低下; (2)仅能处理等热边界条件的热弹导波传播. 针对两项不足之处, 提出一种改进的勒让德正交多项式方法, 以求解分数阶热弹板中的导波传播. 推导求解方法中积分的解析表达式, 以提高计算效率; 引入温度梯度展开式, 发展适合勒让德多项式级数的绝热边界条件处理方法. 与已有文献结果对比表明改进方法的正确性; 与已有方法的计算时间对比说明改进方法的高效性. 最后将改进的方法用于求解分数阶热弹板中的导波传播, 研究分数阶次对频散、衰减曲线和应力、位移、温度分布等的影响.      

PROPAGATION CHARACTERISTICS OF HIGH ORDER LONGITUDINAL MODES IN STEEL STRANDS AND THEIR APPLICATIONS

Propagation characteristics of high order longitudinal modes of ultrasonic guided waves in seven-wire steel strands are investigated theoretically and experimentally. According to these analysis results, proper longitudinal modes are selected for defect detection in steel strands. Dispersion curves for helical and central wires in a 17.80 mm nominal diameter seven-wire steel strand are numerically obtained firstly, and propagation characteristics of high-order longitudinal modes, such as wave structures, attenuation and dispersion, are analyzed. In experiments, the signals of ultrasonic guided wave at different high frequencies are excited and received at one end of a steel strand by using the same single piezoelectric transducer. The identification of longitudinal modes in the received signals is achieved based on short time Fourier transform. Furthermore, appropriate L（0, 5） mode at 2.54 MHz is chosen for detecting an artificial defect in a helical wire of the steel strand. Results show that high order longitudinal modes in a high frequency range with low dispersion and attenuation whose energy propagates mainly in the center of the wires can be used for defect detection in long range steel strands.     

基于ZWT方程的线黏弹性球面波分析

针对时间尺度为1~100 s的爆炸冲击加载,忽略低频Maxwell体的松弛效应,同时为简化分析,忽略非线性弹簧效应项,推导了三维应力状态下的线黏弹性ZWT本构关系。基于球面波的基本动力学方程,结合ZWT线黏弹性本构关系,得到了以位移u表征的三阶波动方程。利用该方程分析固体介质中线黏弹性球面波传播过程中的吸收和弥散现象,得知:高频球面波的衰减因子趋于常数,相速趋于高频下的纵波速度;低频球面波的衰减因子和圆频率的平方成正比,其相速趋于低频下的纵波速度;低频球面波的纵波波速低于高频球面波的纵波波速,两者的比值和介质的泊松比、弹性模量及Maxwell体弹性模量相关。     

Wave propagation in multi-wire strands by wavelet-based laser ultrasound

Methods based on guided ultrasonic waves are gaining increasing attention for the non-destructive inspection and condition monitoring of multi-wire strands used in civil structures such as prestressing tendons and cable stays. In this paper we examine the wave propagation problem in seven-wire strands at the level of the individual wires comprising the strand. Through a broad-band, laser ultrasonic setup and a time—frequency wavelet transform processing, longitudinal and flexural waves are characterized in terms of dispersive velocity and frequency-dependent attenuation. These vibrating frequencies propagating with minimal losses are identified as they are suitable for long-range inspection of the strands. In addition, the wave transmission spectra are found to be sensitive to the load level, suggesting the potential for continuous load monitoring in the field.     

Ultrasonic nondestructive material evaluation method and study on texture and cross slip effects under simple and pure shear states

Ultrasonic wave velocities propagating in a plastically deformed medium are known to depend upon its microstructural material properties. Therefore, the authors have proposed the theoretical modeling of an ultrasonic nondestructive method to evaluate plastically deformed states. In the present paper, we verify the proposed theoretical modeling of an ultrasonic nondestructive method and examine its accuracy by comparing the experimental results with the simulated subsequent yield surfaces, the longitudinal and transverse wave velocities under combined stress states of an aluminum alloy using internal state variables of an anisotropic distortional yield model which were determined to achieve a good fit for the experimental results of the longitudinal and transverse wave velocity changes under uniaxial tension test. As a special case, the velocity changes of longitudinal wave under pure shear state subjected to the combinations of tension and compression are also studied, it shows a different result compared with that of longitudinal wave velocity under torsional tests of thin thickness cylinders, i.e., simple shear state. The effects on ultrasonic wave velocity changes due to texture and cross slip under simple and pure shear states are studied via a finite element polycrystal model (FEPM).     

Ultrasonic Wave Propagation in Progressively Loaded Multi-Wire Strands

In recent years methods based on guided ultrasonic waves gained increasing attention for the nondestructive evaluation and the health monitoring of multi-wire strands used in civil structures as prestressing tendons and stay cables. The study of wave propagation properties in such components has been challenging due to the load-dependent inter-wire contact and the helical geometry of the peripheral wires. The present paper addresses an experimental investigation on the ultrasonic wave propagation in seven-wire strands loaded at different stress levels. Wafer piezoelectric sensors are employed in a through transmission configuration for the generation and detection of stress waves. The response of the lowest-order longitudinal mode is studied at different levels of load. Those ultrasonic features, associated with the transmitted ultrasonic energy, sensitive to the variation of applied load are identified and discussed as possible means of a load monitoring.