电磁超声换能器中电磁场及洛伦兹力的快速求解方法

电磁超声换能器(EMAT)中电磁场及洛伦兹力的计算多采用有限元仿真,其运算量大且计算时间长;且已提出的EMAT解析模型未考虑换能器的关键部件,即永磁体;也没有推导其激发的三维非均匀静态磁场解析表达式,导致洛伦兹力的计算结果精度低。对此,本文基于ETREE(Extended Truncated Region Eigenfunction Expansion)解析法对EMAT进行数学建模,模型中引入了永磁体及其所激发的三维非均匀静态磁场,推导了EMAT的电磁场及洛伦兹力理论表达式。通过与有限元仿真的对比发现,采用本文提出的EMAT解析模型计算得到的电磁场及洛伦兹力与有限元仿真结果吻合很好,且解析求解计算耗时极少,从而验证了此方法的准确性和高效性。     

非铁磁性管件电磁超声检测的混合仿真方法

针对全周径向电磁超声检测换能器,提出了一种非铁磁性管件电磁超声检测(EMAT)的混合仿真方法。该方法集成了解析法和有限元法,用以快速求取电磁超声检测信号。根据ETREE解析法,推导了EMAT的电磁场和洛伦兹力解析表达式。通过与有限元结果对比表明:解析法与有限元法计算出的洛伦兹力相对误差在2.1%以内,解析法的计算效率远高于有限元法。基于ETREE解析法,结合有限元求取的超声场,建立了电磁超声检测信号求解模型,获取了检测线圈电动势信号并计算了回波时间。通过与理论值的对比,结果表明,采用本文提出的混合仿真方法得到的回波时间和理论值之间的相对误差为1.2%,从而验证了该方法的正确性。     

偏置磁场对磁致伸缩纵向导波换能器效能的影响研究

为提高磁致伸缩导波换能器的激励效能,本文研究了磁场结构参数对偏置磁场空间分布的影响。基于COMSOL有限元仿真平台,对磁致伸缩换能器磁场分布特性进行了数值计算,研究了磁路结构形式、磁路和永磁铁数量等对偏置磁场分布的影响,最后优化出适合纵向导波激励的磁场结构参数。检测实验结果表明,随着偏置磁场磁路数量的增加,偏置磁场强度增大,磁场径向均匀性更好,磁致伸缩换能器的效能也相应提高;在相同磁路数量的条件下,永磁体数量的改变对换能器效能影响较小,四磁路偏置磁场最优;轭铁中部增加永磁铁后的磁路结构的偏置磁场的轴向均匀性更高,其激励效能更好。     

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.      

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.     

半潜式钻井平台管道钢构支架极限强度研究

钢构支架是半潜式钻井平台管道支吊架的主要类型之一,钢构支架的极限强度是管道系统正常工作的重要保障。研究结构极限强度的方法有理论分析、有限元数值仿真和实验分析。在分析极限理论的基础上由静力法计算四种钢构支架试件的极限载荷;利用MSC软件对试件极限载荷进行数值仿真分析,并对有限元模型化技术进行讨论;对试件进行实验极限载荷测试,对比分析了三种方法测得的极限载荷。结果表明,三种分析方法计算得到结构的极限载荷基本一致,对于结构形式较为简单的结构通过理论分析可以得到简化解析解析解;数值仿真分析中采用合理的有限元模型化技术(结构有限元模型、边界、约束等)可得到精度较高的计算结果。     

铁磁薄板在磁场中变形和应力的理论分析与实验研究

在二维板壳磁弹性理论基本方程基础上,以二维铁磁薄板磁弹性问题为例,建立了含有10个基本未知量的偏微分方程组,再利用Newmark有限等差式,得到了可以应用DOM方法求解的标准型方程组.求解得到了载流铁磁薄板的位移及应力与各电磁量之间的关系,计算了载流铁板在磁场中的变形和应力.同时进行了载流铁磁性薄板在电磁场中变形和应力的实验研究,介绍了电磁场中铁磁性薄板的实验装置和实验方法,给出了实验数据,并将实验结果与理论计算结果进行了分析对比.     

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.     

有限深海域的海浪感应磁场

搭载磁力仪阵列的水下载体在海洋磁力测量中基本不受人类活动的电磁噪声干扰,但是受海洋环境的电磁噪声影响较大.当海浪运动所产生感应电磁场噪声与要检测的目标磁场量级、频带接近时,这些感应磁场噪声就成了不可忽略的干扰源.在Weaver模型基础上,建立了有限深水域海浪感应电磁场的数学模型,对有限深水域,特别是海洋大陆架范围内,对海浪运动产生的感应磁场进行求解,初步得到了感应地磁场与波高、海洋深度等参数的变化规律.这些研究为磁场实测提供了参考,对海洋磁测中波动数据的解释、反演、减小磁测噪声、提高测量精度有积极的意义.     

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。     

波导结构频散分析的特征频率法及在板条结构中的应用

提出一种求解波导结构频散特性的有限元特征频率法,该方法基于振动问题的特征频率计算理论,根据模态振型识别波数与模态类型,建立了相速度及群速度的求解方法。该方法可适用于任意波导结构的频散关系求解。首先分析满足收敛精度要求的最大网格单元尺寸与最小模型长度,并用该方法对简支板条结构的频散特性进行了计算。结果表明,有限元特征频率法适合求解波动频散关系,板条结构中模态受边界影响会产生同阶高次模态,边界尺寸决定新模态的截止频率;随频率的增大,同阶低次反对称模态会趋于一致;对称模态能量分布受边界影响较大。本文也为板条类结构导波实验结果的分析提供了理论依据。     

RTM充模过程数值模拟的隐式有限元算法

建立了基于欧拉方法描述树脂传递模塑(RTM)工艺充模过程的基本数学方程,并采用有限元隐式时间积分方法对基本方程进行了数值求解．编制了基于隐式有限元算法及传统有限元控制体算法的程序,通过具体算例比较了这两种算法的优缺点．与传统的有限元控制体法相比,该文提出的隐式有限元算法能节省计算时间,特别适合于单元、节点数目多的情况．隐式有限元算法是一种纯有限元方法,不需要使用控制体积技术,采用该算法计算出的流动前沿与时间步长无关。     

无网格伽辽金法求解平面偶应力问题

提出采用无网格伽辽金法(EFGM)求解偶应力问题,以避免有限元求解中因C¹连续要求可能引起的不便。推导了基于二次基和移动最小二乘技术的EFGM计算公式,通过计算受轴向均匀拉伸的带中心小孔无限大板和细长杆的偶应力问题,对所提方法进行了数值验证,与解析解相比结果令人满意,此外还讨论了节点密度和权函数对计算结果的影响。数值结果表明,所提算法可有效地求解平面偶应力问题。     

功能梯度圆柱板中的周向衰逝导波

与传播波模态不同,衰逝波模态波数为纯虚数或复数,它们随传播距离呈指数或阻尼式衰减。复数根描述的衰逝波对结构缺陷形状和尺寸的导波检测具有重要作用,但其求解却是非常困难的,通常要借助于各种迭代技术。本文提出一种计算求解衰逝波问题的改进的Legendre正交多项式方法,该方法可将复杂的变系数微分方程组计算转换为特征值求解问题,无需迭代便能计算得到包含实波数域、虚波数域和复波数域的完整的频散曲线。通过具体算例验证了提出方法的正确性。应用提出方法计算了不同梯度圆柱板中的衰逝导波,绘制了三维频散曲线,研究了不同径厚比和梯度场对衰逝导波频散的影响,分析了衰逝导波的位移和应力分布,讨论了衰逝导波的传播特性。     

统一格式的显式与隐式任意混合异步算法

动力学问题的有限元分析需要在每一时步求解系统信息,相对于静力学问题,其计算量要大得多.因而,提高计算效率,节省计算工作量是动力学求解方法研究的主要内容.该文针对大型复杂动力学系统的高效求解问题,提出了一种基于Newmark离散格式的显式、隐式任意混合异步算法,根据整体系统不同局部的物理力学特性和求解精度要求,在空间域及时间域内对动力学系统方程进行多尺度求解.该方法根据显式、隐式算法固有的信息传递机制,采取动态的可变边界处理方法,避免了异步边界上的误差积累;并通过对整体系统能量平衡的校验,动态地确定和修正仿真计算时步,可以有效地预防不稳定性的产生和发展.数值算例表明:该算法能在保持较高的计算精度的同时,极大地降低计算资源消耗,因而具有一定的实用价值.      

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.      

基于显式有限元的钢筋混凝土构件准静态响应分析

显式有限元可以有效避免土木工程计算中常见的不收敛现象,但在解决钢筋混凝土构件准静态响应问题中应用较少,且缺乏科学、详细的分析过程。为验证显式分析求解钢筋混凝土结构准静态响应的可靠性,本文对一钢筋混凝土梁(尺寸为1400mm×100mm×150mm)进行了四点弯曲试验。同时,使用ABAQUS/Explicit建立了与试验对应的有限元模型,并对模型的建立、网格无关性分析、提高计算效率的方法进行了探究。经验证,该有限元模型的最佳网格尺寸为10mm,由系统最低阶模态结合平滑幅值曲线确定了该有限元模型最佳加载速度为0.4m/s。研究结果表明,在使用显式有限元求解钢筋混凝土梁的准静态响应过程中未出现不收敛现象,且在各阶段都与试验结果有较好的一致性。     

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。     

微加速度传感器的结构刚度分析新法

微传感器结构刚度是优化传感器结构尺寸、研究传感器动态响应特性的一个重要参数．目前多采用有限元分析获取这一参数,但该方法难于给出一个物理思想比较明确的解析表达式．针对自主开发设计的一种具有复杂微结构的加速度传感器,提出综合运用力法和能量法原理求解其主轴刚度,并通过仿真分析验证了理论推导．理论计算与仿真分析的结果有较好的一致性．该方法可推广应用于具有对称、静不定微结构的加速度传感器的刚度分析．     

结构电磁有限元分析的网格依赖性研究

分析了基于有限元方法的超材料电磁性能仿真分析结果对有限元网格的依赖性.通过对仿真结果的分析,发现基于S参数的材料性能参数反演结果对S参数的计算准确度的依赖性巨大,特别是处在谐振频域的S参数误差会导致等效电磁参数的性态误差.针对基于求解频率的网格自适应技术对远离求解频率的谐振频域的分析结果的准确度改善不够这个问题,需要确定合适的求解频率来执行网格自适应.提出了一种改进电磁性能仿真分析准确度的方法,其基本思想是首先给定一个初始的求解频率值,根据Kramers-Kronig关系反演等效电磁参数,进而获得谐振频率的近似值,并把此值作为求解频率来实现网格自适应以获得合适的网格剖分,最后经扫频获得S参数并进行等效电磁参数的反演.数值结果表明,该方法可有效提高仿真分析和参数反演的准确度.