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.      

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。     

接地网圆钢杆中高频纵向超声导波无损检测方法研究

针对接地网圆钢杆腐蚀检测问题,本文进行了接地网圆钢杆高频纵向超声导波无损检测方法研究。首先对埋地环境下圆钢杆中纵向导波传播特性进行理论研究,分析了不同模态导波的群速度和衰减频散特性。研究发现,高阶纵向模态导波在衰减最小和群速度最大对应的频率处,在圆钢杆中传播能力强,是适合进行地埋圆钢杆导波检测试验的频率范围。在此基础上,进行了埋地圆钢杆高频纵向超声导波无损检测试验研究。结果发现,利用优选的检测参数可以很好地实现埋地圆钢杆中腐蚀缺陷检测。研究工作为接地网运行状态评价提供了很好的技术支撑。     

基于小波变换及Wigner-Ville变换方法的超声导波信号分析

对结构中缺陷的检测和识别是无损检测中的一项重要研究课题,超声导波由于可在短时间内检测很远距离,故它的一个重要应用便是管材的检测。因而对导波检测信号的处理成为一重要研究内容,本文利用时-频分析方法中的小波变换和Wigner-Ville变换对管道和抽油杆缺陷的导波检测信号进行了分析处理。实验结果表明,进行小波变换后,缺陷回波信号的信噪比大大提高,直径仅1mm的小孔缺陷可容易地被识别出来,准确检测出其位置;通过对信号进行Wigner-Ville的相关变换,可同时在时频两域内对缺陷的回波信号进行分析,使缺陷辨别起来简单易行。两种信号处理方法的超声导波应用研究为以后导波信号的处理提供了新的实现依据。     

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.     

多层圆柱体锚固结构中超声导波频散特征的研究

超声导波无损检测技术因其高效和快捷的优点成为检测锚杆锚固质量的有效方法。但锚固锚杆结构中超声导波的多模态性、频散性与能量泄露导致完整的锚杆底端反射信号的获得具有不确定性。应用弹性动力学理论并采用全局矩阵法建立超声导波在多层圆柱体锚固结构中的频散方程的通用表达式,然后通过非线性外推法和二分法两步算法求解频散方程的精确解,解决了频散曲线的分类和相交等难题,获得了具有自主知识产权的求解多层圆柱体锚固结构频散曲线的程序。利用该程序计算了不同锚固锚杆结构的频散曲线,并与商用软件Disperse计算的结果吻合较好。同时用本程序计算了实验室有限锚固结构中的频散曲线,验证了低频导波在有限与无限结构中的巨大差异,而这一结构特征的频散特性Disperse并未给出相关算例。     

以能量密度为参量的管中导波无损检测参数选择

一般情况下，检测管状结构时采用位移分布或应力分布来选择超声无损检测的导波模式及其频厚积，这在有些情况下是不合适的。本文用总能量密度来选择检测管状结构的最佳导波模式及其频厚积，并用位移分布进行了比较，最后用混合边界元法进行了数值模拟，对其结果的有效性进行了验证。结果表明，总能量密度能有效的选择检测管材的最佳导波模式及其频厚积范围的检测的最佳位置。     

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.      

一种基于深度学习的超声导波缺陷重构方法

超声导波检测因其传播效率高、耗能少等优势成为了无损检测领域的重要研究方向。目前已有的利用超声导波进行结构缺陷探测和定量化重构的方法主要由相关的导波散射理论推导得出。然而,由于导波散射问题本身的高复杂性,使得在推导上述理论方法时引入一些近似假设,降低了重构结果的质量。另外,有些方法通过优化迭代的方式提高重构精度,又会增加检测的时间成本。有鉴于此,本文探索了一种将卷积神经网络与导波散射理论模型以局部融合的方式实现缺陷定量化重构的新方法。应用样本数据训练后的神经网络实现缺陷定量化重构,弥补缺陷重构过程中的理论模型误差,同时去除在实际检测过程中所存在的环境噪声。本文以利用SH导波重构平板中的减薄缺陷为研究对象,通过数值模拟验证了该方法在缺陷重构时具有高效率和高精度的特点,特别是对矩形缺陷的重构,新方法的结果精度比波数空间域变换法的精度提高了近200%。     

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.     

Propagation of guided waves in pressure vessel

Pressure vessels usually operate under extremes of high/low temperatures and high pressures. Defect, such as crack and corrosion, can result in leakage or rupture failures, even catastrophic incidents. Guided wave-based structural health monitoring (SHM) technology is one of the most prominent options in non-destructive evaluation and testing (NDE/NDT) techniques. Propagation of guided waves in a typical pressure vessel is systematically investigated in this study for the application of guided wave-based SHM. Shape of the pressure vessel is a cylinder with two end caps. Because of geometric similarity, theory of guided wave propagation in the cylinderical structure is analyzed to study dispersive features of guided waves in the pressure vessel. Dispersion curves of three different types of guided wave modes, viz. the longitudinal, torsional and flexural modes, are calculated using theoretical method. Based on the analyses and experimental wave signals, central frequency and wave parameters of incident wave are optimized. Effect of contained liquid on propagation of guided waves, especially the L(0, 2) mode, in the pressure vessel is further investigated to minimize energy leakage of the wave to the contained liquid. The analytical method, finite element analysis (FEA) and experiments are applied to study propagation characteristics of guided waves in the pressure vessel, so as to demonstrate the feasibility of guided wave-based non-destructive evaluation and testing (NDE/NDT) for such kind of complex structures.     

周向导波在空心圆柱体中传播的数值模拟研究

在石油、化工、食品和城市供水等行业,由于腐蚀等原因而引起泄漏事故,造成巨大的经济损失和资源浪费.因此,能够预先检测到管道缺陷避免事故发生显得十分重要.基于弹性动力学理论,利用Matlab编程实现周向导波在空心圆柱体中传播的数值模拟.利用特征函数展开法计算出周向导波的频散曲线及0.6MHz和1MHz各个模态的时域波形图并据此分析激励方式同周向导波传播的关系,频率为1MHz或0.6MHz时,1和2模态在空心圆柱壳中传播的周向导波中处于主导地位:各模态的径向或周向位移幅度会受到激励入射角的影响而变化并且周向导波的位移幅度随着激励入射角的增加而增加:得到特定频率下,周向导波各模态径向、周向位移的变化关系.本文结果为进一步利用实验方法研究周向导波在空心圆柱体中传播特性和缺陷检测奠定了基础.     

材料力学性能退化的超声无损检测与评价

材料性能退化总是伴随着某种形式的材料非线性力学行为, 从而引起超 声波传播的非线性, 即高频谐波的产生.基于此,材料和结构的 超声无损检测与主人技术发展成起来. 首先介绍固体介质内的非线性超声波动方程 的基础, 并综述了利用超声波传播的非线性特性对结构材料和粘结面的力学性能退化进行无损检测 与评价的研究进展. 之后对材料在疲劳、拉伸以及蠕变载荷作用下, 其力学性能退化进行超声无损检测与 评价的试验研究进行了介绍;综述了超声波传播非线性的机理研究, 以及利用超声波对粘结面的粘结强度及其 力学性能退化评估所开展的研究. 最后指出了今后该领域需要进一步研究的问题.     

Laser-generated rayleigh waves in graphite/epoxy composites

This study explores the potential for application of laser-induced surface or Rayleigh waves on graphite/epoxy composites. Rayleigh waves were generated by a Q-switched ruby laser in the ablation regime and detected by a pinducer which permitted accurate phase-velocity measurements. The Rayleigh wave velocity was measured in various directions relative to the fiber direction. Experimental results agreed closely with numerical predictions in the thick plate, but showed some increase of phase velocity in the thin plate. Laser-generated Rayleigh waves, particularly along the fiber direction, showed good potential for applications in NDT.     

利用兰姆波对板状结构中隐蔽腐蚀缺陷的检测

在石油、天然气、化工和石化行业中,许多大型容器和储罐常用来储存带有腐蚀性液体或气体,其内壁极易被腐蚀变薄而影响其使用寿命。为了激励出合适的导波模态检测容器内壁的隐蔽腐蚀缺陷,本文对一块2.76mm厚并蚀刻了一个人工腐蚀缺陷的钢板进行了检测。实验中,采用了一发一收法,并分别激励了对称模态S1和反对称模态A1对该缺陷进行了检测。利用短时傅立叶变换对接收到的时域信号进行了时频分析,得到各导波模态的模态转换,频散和衰减结果。通过对比可以看出,S1模态更适用于检测隐蔽腐蚀缺陷。结果显示,通过选取合适的模态,导波检测方法有可能用于大型容器和储罐内壁腐蚀缺陷的检测。     

Leaky and non-leaky behaviours of guided waves in CF/EP sandwich structures

The aim of this study is to investigate the leaky and non-leaky behaviours of guided waves, between the composite skin and the core in CF/EP sandwich structures, focusing on the fundamental symmetric like and anti-symmetric like guided wave modes and Rayleigh waves. In investigating the core effect on the guided wave propagation different types of cores are used, namely Nomex honeycomb (HRH 10 1/8-3) 10 and 20 mm in thickness and foam (Divinycell^®  PVC). The behaviour of the guided wave modes is characterised and the conversion mechanism to the Rayleigh wave is investigated. Further, leaky and non-leaky behaviours of guided waves upon interacting with debonded areas are explored, where the ability of guided waves to identify debonding of different sizes was assessed. Finite element analysis simulations are presented to support the experimental analysis, where propagation of ultrasonic waves and their interaction with debonded areas are quantitatively examined.     

Nonlinear wave propagation and reflection — Comparing the numerics with the analytics

The accuracy of numerical methods needs always a special attention. In this paper, analytical and numerical methods have been compared to describe the initial stage of nonlinear propagation and reflection of longitudinal ultrasonic waves. The perturbation method has been used to derive the analytical solution and the finite difference scheme to find the numerical solution for multiple free-boundary reflections of a harmonic burst at ultrasonic frequencies. The comparison of results at relatively small nonlinearities reveals a good qualitative and quantitative agreement between the analytical and numerical solutions. The method for determining analytically the exact region of interaction for counter-propagating waves is outlined in detail. At higher frequencies and larger nonlinear effects some quantitative differences between analytical and numerical results appear. The results are applicable in modelling nonlinear wave motion, including NDT and nonlinear one-dimensional vibrations.     

A brief survey on discontinuous Galerkin methods in computational fluid dynamics

间断Galerkin （DG）方法结合了有限元法（具有弱形式、有限维解和试验函数空间）和有限体积法（具有数值通量、非线性限制器）的优点,特别适合对流占优问题（如激波等线性和非线性波）的模拟研究,本文述评DG 方法,强调其在计算流体力学（CFD）中的应用,文中讨论了DG 方法的必要构成要素和性能特点,并介绍了该方法的一些最近研究进展,相关工作促进了DG 方法在CFD 领域的应用,