轨道板中超声兰姆波传播的有限元计算和实验*

该文针对我国高速铁路轨道板缺陷的非接触动态检测问题,研究了空气耦合超声兰姆波在轨道板中的传播规律。首先,给出了轨道板中超声兰姆波的相速度和群速度频散曲线,结果表明:随着频厚积的增加,频散现象越明显,并且A0相速度收敛于Rayleigh波的波速。然后,建立轨道板中波传播的有限元模型,计算得到兰姆波传播的群速度为2220 m/s,且二维傅里叶变换系数的较大值沿Rayleigh波的频散曲线分布。最后,在沪杭高铁嘉兴南站进行了现场测试,以8.8°倾斜角向轨道板激励产生超声兰姆波,激发产生的兰姆波模态群速度为2325 m/s,且二维傅里叶变换分析其系数的较大值沿Rayleigh波的频散曲线分布。有限元计算结果和实验结果均与理论计算结果一致。该研究为后续轨道板缺陷的非接触动态检测提供了理论依据和实验方法。     

一种用于计算板中缺陷兰姆波散射的混合边界元法

本文介绍了一种将传统边界元法和兰姆波的本征模式函数相结合的混合边界元法，用此方法解决兰姆波在板材中传播时遇到缺陷发生的散射问题，计算了兰姆波通过缺陷后的反射与透射系数。文中给出了若干兰姆波信号幅度与板中不同深度缺陷的相互关系。     

基于频散补偿和分数阶微分的多模式兰姆波分离

由于兰姆波的多模和频散特性，实际检测时在同一激发频率下存在多种模式的混合信号，而各模式信号有不同的频散特性，使得在时频混叠的情况下兰姆波的检测变得十分复杂.本文在频散补偿的基础上，通过时延函数建模，依靠不同模式频散趋势的差异性，将时频混叠信号的分离问题转化为部分模式混叠信号的分离问题.基于分数阶微分的理论，用信号幅值谱分数阶微分极大值和对应频率分别与微分阶次拟合多项式实现特征参数的提取并依靠特征参数重建幅值谱.结合相位谱重构时域信号以实现部分混叠信号中频散补偿后的模式的分离.最后恢复频散获得分离后的兰姆波信号.仿真和实验结果表明，本文方法不仅可以实现时频混叠多模式兰姆波信号的分离，更能保证分离精度，有助于复杂多模式频散信号的分离与处理的进一步研究.     

有限元仿真兰姆波评价胶接接头界面弹性模量的研究

金属薄板检测中,声-超声检测方法可激发多模式的兰姆波,兰姆波能够评价金属胶接后结构质量,正确认识兰姆波传播特性与胶接接头弹性模量的关系是有效应用该技术的基础。本文采用有限元仿真法分析这种关系,得出随着胶层弹性模量的降低,各模式兰姆波通过胶接接头后能量有不同程度的衰减,频率为0.5 MHz和1 MHz时,兰姆波主要模式A₀、S₀能量值与接头弹性模量具有一定的线性关系。实验结果表明,低频时随着胶接接头的人工老化,接头中主要模式兰姆波能量均发生一定程度的衰减,其能量变化曲线与有限元仿真结果趋势一致。本方法能为实验研究、实际检测提供有效参考依据。     

板壳结构中的非线性兰姆波

鉴于常规超声检测技术对分布式材料细微损伤和接触类结构损伤的检测效果不佳,近年来非线性超声技术逐渐引起广泛关注.超声波在板壳结构中通常以兰姆波的形式进行传播,然而由于兰姆波的频散及多模特性,使得非线性兰姆波的理论和实验研究进展缓慢.本文从经典非线性理论出发,总结了源于材料固有非线性诱发的非线性兰姆波的理论和实验两个方面的研究进展,井综述了兰姆波的二次谐波发生效应在材料损伤评价方面的若干应用;从接触声非线性理论出发,讨论了目前由于接触类结构损伤诱发的非线性兰姆波的研究现状.最后展望了非线性兰姆波的未来研究重点及发展趋势.     

Evaluation of Thermal Degradation Induced Material Damage Using Nonlinear Lamb Waves

We report on the evaluation of thermal degradation damage in metal material using the nonlinear effect of Lamb wave propagation. A mountain-shape＇＇ change in the second harmonic of Lamb wave propagation versus the level of thermal degradation in the specimens is observed. It is attributed to the precipitations in the early stage and the microvoids after long-term service in terms of metallographic studies. The results show that the nonlinear Lamb wave is very sensitive to the microstructure evolution and is a good potential for quantitative evaluation of the thermal damaged materials.     

用于储罐底板缺陷检测的超声兰姆波模式研究

从超声兰姆波的声场方程出发,得到板材表面离面位移(法向位移)为零的条件,即当超声兰姆波的相速度等于板材介质的纵波声速时,在板材表面的离面位移为零。在给定适当频厚积的条件下,分别数值模拟了仅有切向位移而无离面位移的A1、S1、A2和S2兰姆波模式在有液体负载的单层钢板中的传播情形。结果表明:离面位移为零的S2模式频散较小且对板中缺陷更为敏感。     

非线性兰姆波在厚度缓慢变化和衰减下的特性分析*

该文运用解析的方式推导了考虑声波衰减时兰姆波二次谐波的累积和传播规律,并用半解析方式将该理论推广到缓慢变厚度板的情况。由于色散特性,兰姆波二次谐波和基频波相速度不匹配,传播通常会产生拍频效应,使得二次谐波的振幅沿着传播距离周期性的归零。当考虑声波衰减或板的厚度缓慢变化的情况时,拍频效应将不再严格地被满足。二次谐波的振幅依然会沿着传播距离而振荡,但不会归零。该研究可以用于分析如何高效地激发和接收兰姆波的二次谐波,表征和评估不同厚度变化的结构中的微观结构损伤。     

基于层状模型的功能梯度板中兰姆波传播研究

功能梯度板中的兰姆波的传播在实际工程中有着非常广泛的应用。采用层状模型研究了兰姆波在材料特性沿厚度方向连续变化的功能梯度板中的传播特性。通过数值计算获得了层状板中兰姆波的色散关系,并与已有结果进行了比较,获得了材料属性沿厚度方向呈指数变化和多项式变化时功能梯度板中兰姆波的波速和位移解。当材料属性连续变化时,兰姆波各阶模态的波速与位移都将发生变化。相比于兰姆波的高阶模态,低阶模态的波速变化更加明显。本文的研究可为功能梯度板的设计提供参考。     

板状材料上加强筋的几何形状对兰姆波透射特性的影响

为研究板状材料上加强筋结构对兰姆波透射特性的影响,通过有限元仿真和实验的方法,结合兰姆波频散曲线和二维傅里叶变换分析方法,研究了不同几何形状的加强筋结构对兰姆波垂直入射时的透射特性。仿真与实验的结果表明:加强筋结构会对兰姆波产生梳状滤波器效应,即同一几何形状的加强筋对不同频率的兰姆波透射程度不同;梳状滤波器的通带带宽和通带个数受到加强筋几何形状的影响;随着加强筋高度的增加,梳状滤波器的通带带宽变小且通带个数增加;随着加强筋厚度的增加,梳状滤波器的通带带宽和个数并不呈现单调变化;对于同一高厚比的加强筋,随着加强筋体积的变大,梳状滤波器的通带宽变小且通带个数增加。该研究结果可用于指导利用兰姆波对具有加强筋结构的板状材料进行结构健康监测和无损检测时兰姆波有效频率的选择,从而提高兰姆波能量的利用率和信号的信噪比。