红外CT模拟在混凝土板内部缺陷探测中的应用

红外成像技术采用非接触式检测方法,对结构内部缺陷进行实时、快速大面积扫描探测,作为无损检测领域一项新的技术在土木工程中得到越来越广泛的应用。但是,这种技术的主要缺点是只能通过成像技术显示缺陷表面状况,却无法获知缺陷深度和厚度。本文以一维有缺陷混凝土板为研究对象,采用有限差分法对混凝土板进行热传导数值模拟分析,获得每一点物体表面温度差与缺陷深度及其厚度的非线性对应关系。在此基础上,采用人工神经网络算法,实现对混凝土板内部缺陷的三维重构,即红外CT模拟。本文提出的方法可以同时获得缺陷深度和厚度,并适用于任意形状的缺陷。     

基于数字图像处理的含缺陷花岗岩破裂力学分析

在细观尺度上,采用数字图像处理技术研究花岗岩中由石英、长石和云母等材料的形状、大小及分布对花岗岩材料造成的非均匀性,结合RFPA-DIP 程序建立了能准确反映材料真实细观结构的含缺陷花岗岩数值模型,并进行了常规单轴压缩模拟试验,研究不同矿物颗粒结构与缺陷对其细观破裂力学行为的影响,再现了外载荷作用下不同数值模型的真实破裂过程与最终破坏模式. 试验结果表明:缺陷对试样强度的影响比改变矿物颗粒的形态构造对其强度的影响更加显著,缺陷的存在削弱了颗粒形态对花岗岩强度影响的能力;缺陷及矿物颗粒的形态构造对试样裂纹的萌生、扩展以及最终破坏模式有直接影响,缺陷与矿物颗粒的空间结构关系是导致岩石形成各种复杂破坏模式的主要因素. 起裂应力水平受试样内部细观介质构造和缺陷的影响,而缺陷的存在对起裂应力的影响更加显著.     

基于SBFEM和深度学习的裂纹状缺陷反演模型

结构内部缺陷的识别是结构健康监测的重要研究内容, 而当前以无损检测为主的结构安全检测多以定性分析为主, 定量识别缺陷的尺度较困难. 本文将比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods, SBFEM)和深度学习相结合, 提出了基于Lamb波在结构中传播时的反馈信号定量识别结构内部裂纹状缺陷的反演模型. 通过随机生成缺陷信息(位置、大小), 采用SBFEM模拟Lamb波在含不同缺陷信息的结构中的信号传播过程, SBFEM仅需对结构边界离散可最小化网格重划分过程, 大大提高了计算效率. Lamb波在含裂纹状缺陷结构中传播时观测点的反馈信号包含大量的裂纹信息, 基于这一特性可为深度学习模型提供足够多的反映问题特性的训练数据. 建议的缺陷反演模型规避了传统反分析问题的目标函数极小化迭代过程, 在保证计算精度的前提下大大减少了计算成本. 对含单裂纹和多裂纹板的数值算例进行分析, 结果表明: 建立的缺陷识别模型能够准确地量化结构内部的缺陷, 对浅表裂纹亦有很好的识别效果, 且对于含噪信号模型仍具有较好的鲁棒性.      

基于数字图像处理的含缺陷花岗岩破裂力学分析1）

在细观尺度上,采用数字图像处理技术研究花岗岩中由石英、长石和云母等材料的形状、大小及分布对花岗岩材料造成的非均匀性,结合RFPA-DIP 程序建立了能准确反映材料真实细观结构的含缺陷花岗岩数值模型,并进行了常规单轴压缩模拟试验,研究不同矿物颗粒结构与缺陷对其细观破裂力学行为的影响,再现了外载荷作用下不同数值模型的真实破裂过程与最终破坏模式. 试验结果表明:缺陷对试样强度的影响比改变矿物颗粒的形态构造对其强度的影响更加显著,缺陷的存在削弱了颗粒形态对花岗岩强度影响的能力;缺陷及矿物颗粒的形态构造对试样裂纹的萌生、扩展以及最终破坏模式有直接影响,缺陷与矿物颗粒的空间结构关系是导致岩石形成各种复杂破坏模式的主要因素. 起裂应力水平受试样内部细观介质构造和缺陷的影响,而缺陷的存在对起裂应力的影响更加显著.     

基于小波包能量特征的薄膜涂层材料界面缺陷检测法

目前国际上对薄膜涂层界面缺陷尚缺乏有效的探伤方法.本文基于薄膜涂层材料中波传播的模型,考察了在涂层表面施加冲击脉冲激发表面波,测取涂层表面各点的动态特性,结合波形分析技术进行界面缺陷检测的可行性.通过有限元模拟分析产生脉冲载荷并且激发表面波,对涂层表面接收的加速度波响应信号进行小波包数学变换,提取小波包相对能量谱变化率指标,发现加速度信号的小波包相对能量谱变化率指标在存在界面缺陷的区域有显著的变化,并且在缺陷中心区域效果最明显,而且该指标对不同薄膜厚度界面缺陷的具有敏感性,可以通过该指标较准确的判断裂纹的位置和尺寸.此项研究可以为开发薄膜涂层界面缺陷的无损检测方法提供一定的理论基础.     

复合材料冲击损伤非线性振动声调制检测技术的试验研究

复合材料因其优良性能在航空航天领域应用广泛,但其受低速冲击后强度与结构完整性会严重下降。非线性振动声调制技术作为一种检测范围广、检测精度高的无损检测新技术,能对结构中的接触缺陷进行有效检测。本文制作了含冲击损伤试样,通过选取合适的高频超声激励频率,分别在不同的低频振动幅值及模态频率下对含冲击损伤复合材料进行检测。研究结果表明,非线性振动声调制技术能对含冲击缺陷试样与参考试样进行有效区分,调制系数与低频激励幅值呈近似线性关系。检测时需选取合适的频率及幅值。缺陷处振动不剧烈且低频激励幅值较小时,较小冲击能量损伤试样与参考试样不易区分;缺陷处振动剧烈时,输入较低的低频幅值即可较易分辨参考试样与损伤试样。     

胶结波纹夹芯板水浸超声相控阵检测

首次采用水浸相控阵超声检测方法对加工或使用过程中的胶结波纹夹芯板粘结质量进行了无损检测,与射线、激光、常规超声等检测方法相比,该方法具有分辨率高、检测速度快等优点;设计制作了具有2mm~50mm不同尺寸脱粘缺陷的波纹夹芯板试样并进行了漏粘、脱粘缺陷人工检测实验,研究了本文方法的检测可行性和检测精度(精度至少可达2mm)。     

影响纳米压入测试结果的因素

纳米硬度计 ,又称深度测量压入仪。该仪器在刚性压针上施加特定载荷 ,同时记录压入试样深度。此技术广泛应用于微纳米尺度力学性能的研究。以MTSNanoIndenter○RXP为测试手段 ,参考试样熔融硅为研究对象 ,进行了不同压入深度的测试。结果显示 ,硬度和模量有随压入深度减小而增大的趋势。分析了接触零点的确定、压针尖端缺陷、试样表面的吸湿和粗糙度、弹塑性转变等因素对测试结果的影响。在压入深度为微米和亚微米量级时 ,上述因素对测试结果无显著影响 ;而在纳米量级时 ,有显著影响。所以 ,当压入深度为几十纳米时 ,纳米压入测试结果的可靠性值得注意     

常温下16MnR板材焊接缺陷声发射特性研究

对预制的含有未焊透缺陷的16MnR焊接矩形试样,进行了室内声发射试验.分析了试验中记录的试样拉伸曲线和声发射信号,阐述了试样声发射信号的分布情况和相应的应力状况.通过缺陷的断裂力学计算,预测了产生大量声发射信号的应力值,将声发射信号的产生和试样所受的应力状况有效地联系起来,对含缺陷容器的声发射检测有一定的指导作用.选择合适的小波函数,分析了试验中声发射信号的不同参量,对比了声发射信号不同参量在小波分析中的差异,得出了声发射信号的时域内分布特征和相应的应力状况.     

异质材料粘接界面强度——三维应力奇异性影响

通过实验并结合有限元分析研究了三维应力奇异性对异质材料粘接接头界面强度的影响.有限元分析结果表明:如果对三维双材料结构的棱边进行圆弧倒角,使相应的界面端线变成光滑连续曲线,则原界面端点附近的三维应力奇异性会退化为界面端线附近的二维应力奇异性,进而降低应力奇异性程度.设计了一系列有圆弧倒角与无圆弧倒角的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/铝(AL)和聚碳酸酯(PC)/铝(AL)双材料试样并进行了四点弯曲实验.实验结果表明:界面尺寸对试样失效载荷无明显影响;与未圆弧倒角的试样相比,有圆弧倒角试样的失效载荷明显得到提高.这一结果证明三维应力奇异性对粘接界面强度有明显影响.     

An Analytical Model for Defect Depth Estimation Using Pulsed Thermography

The use of pulsed thermography as a non-destructive evaluation tool for damage monitoring of composite materials has dramatically increased in the past decade. Typically, optical flashes are used as external heating sources, which may cause poor defect definition especially for thicker materials or multiple delaminations. SMArt thermography is a new alternative to standard pulsed thermography as it overcomes the limitations on the use of external thermal sources. Such a novel technology enables a built-in, fast and in-depth assessment of both surface and internal material defects by embedding shape memory alloy wires in traditional carbon fibre reinforced composite laminates. However, a theoretical model of thermal wave propagation for SMArt thermography, especially in the presence of internal structural defects, is needed to better interpret the observations/data measured during the experiments. The objective of this paper was to develop an analytical model for SMArt thermography to predict the depth of flaws/damage within composite materials based on experimental data. This model can also be used to predict the temperature contrast on the surface of the laminate, accounting for defect depth, size and opening, thermal properties of material and defect filler, thickness of the component, and intensity of the excitation energy. The results showed that the analytical model gives good predictions compared to experimental data. This paper is one of the first pioneering work showing the use thermography as a quantitative non-destructive tool where defect size and depth could be assessed with good accuracy.     

Monitoring surface breaking defects with piezoelectric active systems

This paper is concerned with an experimental study and a numerical study of the application of two active techniques to monitor the growth of fatigue cracks and simulated defects in beams using piezoelectric sensors and actuators. The first technique is a transfer function method that consists of exciting the structure with piezoelectric actuators, while recording the electromechanical response of sensors placed close to the defect. Results have shown that the choice of adequate parameters, such as sensor size and its distance to the defect edge, allows the detection of small changes in defect depth. Finite-element simulations were also performed to determine a correlation between sensor response and defect depth. The second method is an impedance technique where a single piezoelectric element is used to excite and to monitor the growth of the defect. This technique was evaluated through experiments where a machined slot of increasing depth was monitored by measuring the electrical admittance of the piezoelectric sensor.     

基于扩展有限元的结构内部缺陷(夹杂)的反演分析模型

传统的结构检测方法一般需要钻孔取样,对结构本身有一定的破坏作用,而无损检测方法在检测过程中不破坏结构本身,这项技术的重要性日益显著. 结合扩展有限元法和人工蜂群智能优化算法的优点,建立了结构内部缺陷(夹杂)的反演分析模型,为结构的无损检测技术提供了一条新的途径.扩展有限元法通过引入非连续位移模式可以在不重新划分网格的情况下通过改变水平集函数反映缺陷(夹杂)的位置及大小,避免了反演分析每次迭代过程中的网格重剖分,人工蜂群智能优化算法在每次迭代中都采用全局和局部搜索,找到最优解的概率大大增加并可很好地避免局部最优,因此,扩展有限元法与人工蜂群智能优化算法的结合有效地减少了反演分析的计算工作量. 通过若干算例的分析表明:建立的反演分析模型能准确地探测结构内部存在的单个缺陷(夹杂).      

激光激发表面波与亚表面缺陷作用的理论研究

为了研究激光激发表面波与亚表面缺陷的作用机理,实现激光超声技术对该类型缺陷的定量检测,论文基于激光超声热弹机制,采用有限元方法模拟了激光激发表面波与亚表面矩形缺陷之间的相互作用,进而探讨缺陷的埋藏深度及其纵向尺寸对表面波的影响。首先模拟了激光激发表面波与矩形缺陷前沿（波与缺陷最先作用的纵向边沿）的相互作用,分析了埋藏深度对波形的影响,提取了缺陷作用的散射回波特征并分析其成因。然后对一定的缺陷埋藏深度,通过改变缺陷纵向尺寸,计算和分析了纵向尺寸对散射回波特征的影响。研究结果表明,散射回波的特征点到达时间与缺陷的埋藏深度和纵向尺寸有关,可能由此实现其反问题缺陷纵向尺寸的估算。     

An analytical approach to reconstruction of axisymmetric defects in pipelines using T(0, 1) guided waves

Torsional guided waves have been widely utilized to inspect the surface corrosion in pipelines due to their simple displacement behaviors and the ability of longrange transmission. Especially, the torsional mode T(0, 1), which is the first order of torsional guided waves, plays the irreplaceable position and role, mainly because of its non-dispersion characteristic property. However, one of the most pressing challenges faced in modern quality inspection is to detect the surface defects in pipeli...     

Fracture mechanics analysis on Smart-Cut~ technology.Part 2:Effect of bonding flaws

In Part 2 of the paper on the Smart-Cut process,the effects of bonding flaws characterized by the size andinternal pressure before and after splitting are studied byusing fracture mechanics models.It is found that the bon-ding flaws with large size are prone to cause severe devia-tion of defect growth,leading to a non-transferred area ofthin layer when splitting.In a practical Smart-Cut processwhere the internal pressure of bonding flaws is very small,large interfacial defects always promote defect grow...     

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,论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.论文以利用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%.     

Fracture mechanics analysis on Smart-Cut^R technology. Part 2： Effect of bonding flaws

In Part 2 of the paper on the Smart-Cut process, the effects of bonding flaws characterized by the size and internal pressure before and after splitting are studied by using fracture mechanics models. It is found that the bonding flaws with large size are prone to cause severe deviation of defect growth, leading to a non-transferred area of thin layer when splitting. In a practical Smart-Cut process where the internal pressure of bonding flaws is very small, large interfacial defects always promote defect growth in the splitting process. Meanwhile, increasing the internal pressure of the bonding flaws decreases the defect growth and its deviation before splitting. The mechanism of relaxation of stiffener constraint is proposed to clarify the effect of bonding flaws. Moreover, the progress of the splitting process is analyzed when bonding flaws are present. After splitting, those bonding flaws with large size and high internal pressure are vulnerable for the blistering of the thin film during high-temperature annealing.     

汽轮机轮盘热处理残余应力分析

百万核电汽轮机红套低压转子工作环境的蒸汽参数较低,各级轮盘均处于湿度较大的工作区域,易产生应力腐蚀,引起裂纹萌生和扩展．为提高轮盘的抗腐蚀能力,降低工作应力是一个有效的方法．通过热处理方法,在轮盘表面形成预压应力以抵消部分旋转拉应力是可行的方法,而产生适当深度和大小的预压应力则需对热处理过程进行谨慎的设计．本文以汽轮机轮盘为研究对象,建立轴对称有限元模型,通过对ABAQUS软件的二次开发,实现对轮盘热处理过程的温度场及应力场进行数值模拟．计算综合考虑了非线性的材料热物性参数、力学性能参数、表面换热系数及不同材料组织转变的相变潜热、热物性参数和力学参数,通过对不同热处理方法得到的残余应力场的比较,获得了较合理的水冷方式,为热处理工艺确定提供参考．     

The tearing of notched aluminium foils

Summary Tension tests on notched aluminium foils are described. The foils were provided either with one internal notch or with two notches on the foil edge. The tearing force was determined as a function of either the notch depth or the relative position of the notches. The longitudinal tension causes a transversal bulging of the foil. No quantitative explanation of the results is given.