正交异性钢桥面板声发射波三维谱元法模拟及损伤定位

针对大跨度桥梁正交异性钢桥面板的疲劳损伤评估与结构健康监测需求,开展基于声发射波场谱元法模拟的大型复杂板类结构损伤定位研究。采用Legendre高阶插值三维时域谱元法模拟声发射波在正交异性钢桥面板中的传播过程,验证了其内部显著的反射、衍射和频散现象,并代替人工预断铅实测试验获得大量声发射数据。然后,利用赤池信息准则判定声发射波到达各传感器的时间,通过高斯过程回归建立到达时差与声发射源位置的关系模型,用于未知损伤的定位监测。数值模型实验结果表明,赤池信息准则和高斯过程回归改进的时差图法在正交异性钢桥面板中的平均定位误差为37.3 mm(25 dB信噪比工况),平板的定位精度高于U肋。谱元法模拟有望代替繁琐的预断铅实测试验,提升声发射时差图系列损伤定位方法的实用性。

基于压缩感知的兰姆波下采样和损伤定位

一种基于压缩感知和兰姆波的损伤检测方法利用兰姆波下采样信号构造测量矩阵,需要恰当的采样率才能使测量矩阵行数小于列数,从而满足压缩感知的适用条件。但是,过低的采样率会导致采集到的接收信号与真实信号严重失真。针对这一问题,提出基于插值的计算下采样信号与真实信号相关系数的方法,判断下采样信号与真实信号的失真程度。并结合压缩比,选择合适的采样间隔,确定测量矩阵。通过对测量矩阵做行正交规范化处理,优化测量矩阵,大大提高重构效果和损伤定位精度及能力。优化后,重构概率为1的稀疏度由1增长到12左右。

管道内涂层损伤定位检测系统设计

石油管道内涂层在预防套管腐蚀中起到了极为重要的作用,因此需要定期对涂层的质量进行检测。为此,根据涂层电阻率特性设计一种基于阵列式多电极的管道内涂层检测仪器。系统在电极与金属套管之间建立电流回路,搭建回路阻抗检测电路,根据回路阻抗变化反映内涂层腐蚀情况。本文介绍了包括仪器检测的基本原理、仪器系统的总体设计、硬件部分的各个功能模块以及软件流程设计,最后通过模拟井下环境进行实验验证,证明系统能够满足对内涂层破损的检测要求。

应用集成学习算法的复合材料损伤定位研究

在碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)损伤定位研究中,传统单一模型定位误差较大,为提高CFRP的损伤定位精度,提出一种基于集成学习的损伤定位方法。重物加载引起材料应力的变化常用于模拟损伤,施加不同质量用以模拟不同的损伤程度,实验在CFRP上布置应变片,获取在不同损伤程度下的应变特征量,针对同一损伤程度,利用网格搜索法对支持向量回归机(SVR)和分类回归树(CART)模型进行参数寻优,将最优模型参数应用到集成学习模型后对比SVR、CART两种单一模型和SVR_Adaboost、随机森林(RF)、极端随机树(ERT)、梯度提升决策树(GBDT)四种集成学习模型的定位精度。结果表明:在损伤程度1的数据集上,弱学习器迭代50次的随机森林模型和极端随机树模型平均定位误差最低,为6.2 mm,并将该两种模型在损伤程度2和3的数据集上进行坐标预测。该集成学习算法可用于碳纤维增强复合材料损伤定位,且定位精度比传统单一模型定位精度高。

变温域纤维增强复合材料的损伤定位研究

纤维增强复合材料因其轻质高强、易成型和可设计性强等优异性能,成为众多工程结构用材首选,然而其结构易产生多种形式损伤,降低了材料的可靠性和安全性,故对复合材料进行实时健康监测及损伤定位研究具有重要意义。声发射(Acoustic emission,AE)技术可以有效地检测复合材料中的微小损伤,基于光纤光栅声发射监测系统不受电磁干扰,可在多点同时测量多个物理量,但实现高精度损伤定位仍需进一步研究。为此,构建了一种四通道温度自适应光纤布拉格光栅(Fiber Bragg gratings,FBG)声发射监测系统,可以快速追踪、及时反馈、实时监测FBG的中心波长变化,提高定位精度,在变温域内对碳纤维增强复合材料的损伤定位进行监测,研究结果表明,该系统平均损伤定位误差为12%。

基于Lamb波的复合材料多损伤定位方法研究

针对航空航天用碳纤维增强树脂基复合材料多损伤问题,研究一种损伤方向算法与椭圆轨迹算法相结合的损伤定位方法。首先,根据Lamb波在板中的传播特性,提出一种基于PZT结的损伤方向算法,运用方向算法找到Lamb波在损伤位置发生散射后的若干传播方向,再通过传播方向的交点来实现多损伤位置的初步判定。其次,运用椭圆轨迹算法,实现多损伤位置的进一步判定。最后,在碳纤维增强树脂基复合材料薄板上对该方法进行实验验证,选用希尔伯特黄变换的信号处理技术实现对损伤散射信号到达时间的提取。实验结果表明,该损伤定位方法能够对复合材料多损伤位置进行有效定位。

基于拟静力位移的桥梁损伤定位研究

为克服传统桥梁损伤定位中存在的耗时长和易受操作环境影响大等问题,该研究提出一种高效、准确的桥梁损伤定位方法。通过有限脉冲响应滤波器将拟静力位移表示为总位移的线性组合,建立拟静力位移的精度函数对滤波器系数进行求解。将该方法应用于移动荷载作用下的桥梁位移响应中,提取其拟静力位移。基于拟静力位移,判定桥梁的损伤位置。再分别以某简支梁和连续梁为例,验证了该方法识别简支梁和连续梁损伤位置的准确性。该研究可为桥梁损伤定位检测提供借鉴。

基于交叉递归率的复材板损伤定位成像方法

针对基于Lamb波的复材板损伤指数构建困难的问题,提出了一种基于交叉递归率的损伤定位成像方法。该方法首先采用交叉递归率对各传感路径中的损伤信息进行描述,构建了基于交叉递归率的损伤指数,结合椭圆概率成像算法实现了复材板的损伤定位检测。有限元仿真与疲劳试验数据分析结果表明,该方法能实现复材板内部损伤的准确定位成像,在噪声干扰情况下仍能准确识别损伤位置。

偏心探头套管损伤定位校正方法

针对偏心探头套管损伤定位方法准确性不足、易受井况影响等问题,设计了偏心探头套管损伤定位校正方法。通过对系统的组合式偏心探头设计进行介绍分析,探讨了影响偏心探头套管损伤检测性能的原因,即仪器在井下无规律的周向转动。利用MEMS陀螺仪获取仪器旋转角速率数据,通过对角速率数据解算、预处理和积累,调整各偏心探头的相位,改变探头数据的直角坐标值,实现追踪各偏心探头的实时方位,确保探头数据与方位信息一一对应,保证套管损伤位置在三维成像观测中的正确映射。经过校正后的偏心探头可以摆脱仪器井下周向旋转的影响,使得套管损伤定位位置更精确。该方法提高了偏心探头套管损伤定位的准确度,可进一步推动偏心探头套管损伤定位检测的应用。

基于EMI技术与PSO-BP神经网络铝梁损伤定位研究

为了定位铝梁等一维结构的损伤位置,采用压电阻抗(EMI)技术与粒子群(PSO)-BP神经网络进行研究。首先,搭建损伤检测试验平台,使用阻抗分析仪测出健康和损伤状态下的压电导纳曲线,分析不同位置压电陶瓷传感器(PZT)测量的结构谐振峰特征,并通过Pearson相关系数对导纳数据进行处理;然后,构建PSO-BP神经网络,以不同位置上的PZT传感器测得的导纳值作为网络的模式样本进行训练。结果表明,压电阻抗技术能有效识别铝梁健康、损伤工况;Pearson相关系数与PZT传感器和损伤之间的距离呈线性关系,与损伤位置间距越小,PZT测得的导纳曲线的Pearson值越大;选取PZT导纳值变化明显的频率点作为神经网络的输入向量,经过训练后的PSO-BP神经网络能够快速准确地识别铝梁损伤位置。

充液管道超声导波传播特性及损伤定位的研究

管道运输是我们国家综合运输体系的重要组成部分,其在流动介质的运输方面具有特殊的优势。在这类管道中液体介质为超声导波能量的泄漏提供途径,不利于后续的损伤定位研究。因此研究超声导波在充液管道中的传播特性非常必要,从探究充液管道超声导波频散方程出发,建立有限元模型研究不同液体填充量的管道响应信号的能量变化。提出基于径向基函数的概率成像算法,其中权重函数仅与损伤的位置有关而与传感器路径的方向无关。对管道中非通透圆孔损伤进行定位,周向与轴向定位精度相比传统算法均有所提高。在此基础上提出基于L(0,2)模态的概率成像法,分别在两种尺寸的管道中进行损伤定位,结果表明定位精度得到大幅提升,该算法具有广阔的应用前景。

基于边界反射效应控制的Lamb波损伤定位算法研究

基于Lamb波开展薄板损伤定位的实验研究,通过对称相消与合理布置STMR阵列的方法,最终消除边界反射效应对损伤定位结果的影响。仿真结果表明,基于对称相消方法改进的矩形STMR阵列相比传统STMR阵列在损伤定位方面更加精确;在穿透性损伤定位方面,误差缩小了62.5%;在凹陷损伤方面误差缩小了22.8%;在距离薄板边界较近的损伤时,误差缩小了50%,消除了传统诊断技术的检测盲区,实现了对于靠近结构边界附近损伤和缺陷的准确识别检测,具有较好的工程应用前景。

基于L(0,2)超声导波的管段结构损伤定位研究

超声导波检测技术凭借其快速、高效、安全等特点,在管道结构无损检测领域中具有广阔的应用前景。提出了基于L(0,2)超声导波检测技术,对损伤管道以及焊接弯管进行识别与定位,并提出了评估管道结构损伤程度的方程,最后通过设计直管段和弯管段实验,验证模拟过程对于损伤定位的准确性。结果表明,超声导波在直管中传播与理论误差在1%以内,在弯管中传播误差在5%以内,基于L(0,2)超声导波的健康监测方法对于管段损伤的定位及损伤程度判断具有可行性,且在直管中传播与理论相较于在弯管中传播更为精确。在实验过程中,超声导波的传播能量损失较为严重,且产生大量杂波,对检测结果具有一定的干扰性。

基于磁致伸缩技术的桥梁缆索损伤定位研究

介绍了磁致伸缩技术的基本原理,并研制基于磁致伸缩导波技术的缆索无损检测设备。对设备中的3大系统:激励信号发生系统、功率放大系统和导波检测系统进行说明,并分析采用设备进行缆索损伤定位的原理。设计制作带缺陷试验缆索进行大量检测试验,对检测数据进行细致分析,结果表明:磁致伸缩技术和研制的无损检测设备可较好地实现缆索损伤定位;传感器无需通过缺陷部位,远距离即可检测出缺陷,导波检测精度与缺陷和传感器之间距离有关,在导波检测范围内,传感器越靠近缺陷,检测精度越高。

基于振动与声发射信息融合的海洋平台损伤定位方法实验

目前我国海洋平台特别是进入中后期服役阶段海洋平台的安全问题越来越成为制约其正常作业的重要因素。为保证平台服役期间的安全运行,以海洋平台模型为实验对象,通过预制损伤等物理手段模拟平台的不同状态,进行了基于振动与声发射信息融合的结构损伤定位分析实验。①振动定位法实验,经滤波后采用细化FFT法进行信号处理,分析了海洋平台模型完好与损伤状态下信号幅值变化率与损伤位置的对应关系,结果表明:振动法可以在垂直方向上确定损伤位置。②声发射定位法实验,通过确定能量计数的变化与损伤位置之间的对应关系,结果表明:声发射法可以在水平方向上确定损伤位置。③通过对上述两种方法进行信息融合,实现了对海洋平台整体进行损伤定位。④最后通过海洋平台状态监测模型进行了实验验证。结论认为,该损伤定位方法具有较高的可靠度与精确度,可以实现平台损伤的有效定位。

大跨悬索桥损伤定位的自适应概率神经网络研究

由于概率神经网络(PNN)以贝叶斯概率方法描述测量数据,因而PNN在有噪声条件下的结构损伤检测方面,具有巨大的潜力。而PNN中高斯核函数的宽度,严重影响网络的泛化能力,本文提出了一种运用自适应PNN进行复杂结构的损伤定位研究方法,并与传统PNN对大跨悬索桥的损伤定位进行了仿真性能比较;同时讨论了噪声程度、特征向量简化对损伤识别精度的影响。研究发现,运用自适应PNN进行损伤定位,不仅性能优于传统PNN,而且进行特征向量简化时,可以提高损伤定位的识别精度。

基于贝叶斯网络的损伤定位研究

采用适当的人工智能技术进行智能损伤定位研究,是提高损伤评估准确性和效率的重要途径。文中阐述了利用贝叶斯网络进行损伤定位研究的必要性,进行了基于贝叶斯网络的损伤定位研究和案例分析。研究表明,利用贝叶斯网络进行损伤定位时,可以充分利用有关装备的损伤信息,提高定位速度,加快整个评估进程,提高评估效率;且利用贝叶斯网络可以进行双向推理,适于解决装备损伤评估领域的问题。

超声导波在圆管结构损伤定位中的应用

针对结构损伤会影响超声导波传播,提出基于超声导波无损检测的结构健康监测方法。以内径为174mm、外径为194mm、材料为20~#碳钢的圆管结构为例,根据频散方程利用数值法求解其纵向模态以及周向Lamb波频散曲线。同时考虑其频散曲线和波的结构,确定激励频率中心频率为80kHz。在此基础上进行有限元仿真,验证圆管中导波的传播机理及特征。针对此频率圆管纵向模态导波以及周向Lamb波的频散特性、波的结构比较接近,且都与板中的Lamb波相似,从而提出了单点激励、多点接收,并采用椭圆定位的方法,实现圆管结构损伤定位。通过仿真和实验验证该方法对切槽、圆孔等损伤的识别效果,并对损伤定位误差的影响因素进行了分析。

基于频率变化平方比的压力管道损伤定位方法

利用摄动原理探讨了基于振动模态分析的结构无损检测技术 ,并把频率变化平方比应用于压力管道 ,从理论上验证了该参数的变化是结构损伤程度和位置的函数 .并且利用该方法对一钢管进行了数值模拟和试验 ,结果表明方法简单可行 ,可为解决工程实际问题提供一定的参考 .

基于模态应变能的海洋平台损伤定位试验研究

针对海洋平台等大型复杂土木工程结构,研究了基于振动响应测试的结构损伤诊断方法。采用特征系统实现算法,仅利用输出响应进行模态参数识别,基于模态应变能的变化来进行损伤定位。为了验证该方法的有效性,制造了钢质导管架式海洋平台模型,进行了振动台试验。模型预先在某些典型构件处设置了法兰连接件用来模拟损伤,针对斜撑构件测试了多种单损伤和两损伤工况。针对各种损伤工况进行了模态识别和损伤检测,试验结果表明,基于输出响应的模态应变能法进行斜撑损伤定位是可行的。